腦—機接口的研究現狀

摘 要：腦-機接口是一種涉及多學科多領域的新穎的人機接口方式，在醫療、航空、軍事、生活娛樂等多個領域具有潛在應用價值。文章簡要介紹了腦-機接口的分類，并根據BCI利用的腦電信號的來源和利用的方式不同對視覺誘發電位、P300以及運動想象技術的國內外研究現狀進行了闡述。

關鍵詞：腦-機接口；BCI；SSVEP；P300 運動想象

1 概述

腦-機接口（Brain Computer Interface，BCI）是近年出現的涉及眾多學科、知識領域的人機接口方式，二十世紀九十年代年提出了腦-機接口的概念[1]：腦-機接口是一種在大腦和外部設備間建立的傳遞信息的通路。腦-機接口通過采集與提取大腦產生的腦電信號來識別人的思想，據此生成控制信號來完成大腦與外部設備進行信息傳遞與控制的目的。一個標準的腦-機接口系統可以準確、快速地采集、識別出人腦在各種思想活動下的腦電信號。

根據腦-機接口的應用種類不同，腦-機接口的系統構成有所不同，但總體上一個標準的腦-機接口系統一般由四個部分組成，即信號采集、預處理及特征提取、模式識別、控制命令輸出[2]。

2 腦-機接口系統的分類

2.1 非植入式和植入式

腦-機接口根據采集腦電信號的方式可分為非植入式系統和植入式系統。非植入式（EEG）是不打開腦部將電極放在頭皮表面，采集腦電信號，植入式（ECoG）是打開頭部將芯片植入腦內采集腦電信號，這種采集到的腦電信號為皮層腦電信號。相比較于EEG，ECoG采集的信號的優點是信號幅度寬，能避免信號干擾，容易識別和利用；缺點是需要做手術打開頭部放入電極，有一定的危險性，但隨著各方面技術的逐漸成熟，ECoG必然廣泛應用。

2.2 誘發腦電BCI和自發腦電BCI

根據受試者腦電信號產生原因可將腦-機接口分為誘發腦電BCI和自發腦電BCI，誘發腦電指被測對象接收到外界刺激后生成的反射誘發的腦電波信號。視覺誘發電位（visual evoked potentials，VEP）通過被測對象眼神關注傾向其中的一個列表，使人眼神關注各個列表時生成差異的腦電波信號。誘發腦電BCI的缺陷是需提供同步刺激給被測對象，好處為被測對象無需長久的練習。自發腦電BCI是被測對象通過自我調節誘發的腦電波信號。自發腦電信號由被測對象自己生成，很隨意，容易控制，但被測對象要經過特殊的練習，才能產生強烈的腦電波信號，例如想象四肢運動等。

2.3 同步BCI和異步BCI

同步BCI系統是要求被測對象在某個一定的時間內進行的思想過程，思想過程所產生的腦電波信號在特定的時間內產生，通過集中分析處理特定的腦電波信號，以利于數據處理過程的簡化。異步BCI是被測對象則可以在任意時刻進行特定的思想過程，這樣與實際中人腦對外部設備的操控模式更加相似。然而異步BCI難于操控，由于異步BCI要求系統可以隨時無誤確定被測對象思想過程的開始和以及轉折點，被測對象的腦電波信號必須一直被監控。當然，異步BCI的開發比同步BCI系統要困難。因此，大多數的BCI研究機構還在主要研究同步式BCI，也有少數能夠實現異步BCI系統，然而異步BCI系統在開發應用方面還有很多問題需要繼續研究和探討。

2.4 依賴式BCI和獨立式BCI

依賴型式BCI是通過檢測腦輸出通路中周邊神經和肌肉部分所包含的腦電波信號，而不采集此正常的腦輸出通路來攜帶信息，將采集到的腦電信號進行識別后直接轉換成控制裝置的指令。依賴型BCI主要依靠自發腦電波alpha波、視覺誘發電位等，它和傳統的信息交流渠道有很多類似的地方，但在實用性方面卻有很強的操作性。獨立型BCI是通過思維活動直接可以與外界進行信息交換與設備控制，而不是利用腦輸出通路產生的特定腦電信號和信息，例如利用事件相關的電位P300、自發mu節律以及ERS/ERD信號等的BCI就屬于獨立型BCI。

3 國內外研究現狀

3.1 視覺誘發電位（VEP）

視覺誘發電位（VEP）可分為穩態視覺誘發電位（SSVEP）和瞬態視覺誘發電位（TVEP）。穩態視覺誘發電位有較強的抗干擾能力，不易受到其它噪聲干擾，由于得到的信噪比符合理想值，在腦機接口開發中穩態視覺誘發電位的開發非常廣泛，其信息獲得比率和正確識別比率都有一定的提升，而腦機接口研究中瞬態視覺誘發電位的開發則稍微少一些。

清華大學研腦機接口研究小組是國內腦機接口領域做出貢獻比較大的研究機構，該研究小組多次獲得國際腦機接口比賽一等獎，在穩態視覺誘發電位方面的研究較為深入，在2002年還成功開發了基于穩態視覺誘發電位的實時電話撥號系統，提高了傳輸率和正確率。國外領先的研究機構有美國的Wright空軍基地，Wright空軍基地的研發小組應用穩態視覺誘發電位技術對飛行模擬器實現了控制。

3.2 P300電位

P300電位是一種與事件相關的特殊電位事件相關電位，是內源性的具有認知功能的誘發電位，測試的過程主要監測受試者心里因素等指標。同腦誘發電位EP相比較，事件相關電位ERP所獲得的誘發電位是被測對象需要主動參與得到的。

浙江大學求是高等研究院在腦機接口方面開發了一套基于P300電位的中文輸入系統，為使用漢語作為語言的癱瘓患者的人機交互開發了新的控制方式。美國紐約州立大學的研究者設計了一套可以實用的P300字符輸入系統，使患者可以通過腦電來操作計算機。萊波薩門等利用P300電位實現了在熟悉的環境下利用腦電波來控制智能輪椅。該控制方法在一個熟悉的環境先制定相關路線，然后把規劃好的標記位置以圖標方式在電腦上顯示，被測對象就可通過誘發相關事件的P300電位選擇想要去的路線中的地某個地方，操作完成后，根據預先規劃好的路徑智能輪椅將自動到想要去的地方。

3.3 運動想象

運動想象（Motor Imagery，MI），是指運動活動在內心反復地模擬、排練，而不伴有明顯的身體活動[3]。相關研究表明，運動想象所激發的大腦感覺運動皮層區域與實際進行肢體運動時所激發的大腦感覺運動皮層區域相同[4]。最先研究基于運動想象的腦-機接口技術的是Pfurtscheller等人。

浙江大學腦機接口研究小組注重運動想象類的腦機接口，通過二類運動想象對想象左右手運動產生的腦電信號進行開發。重慶大學研究小組通過二類運動想象以想象左手右手運動采集腦電信號，開發出了基于左右手運動想象的腦-機接口在線系統。德國柏林工業大學主要研究基于運動相關的腦機接口，如利用運動前準備的電位實現了腦電信號協助汽車的制動，他們還利用運動想象腦電信號實現了字符輸入系統Hex-o-spell。奧地利格拉茨工業大學將運動想象的腦機接口技術用于殘疾人康復，他們設計并實現的神經假體可以幫助殘疾人完成伸、抓、握等基本動作，實現抓水杯喝水的過程。

4 結束語

腦-機接口的發展為殘疾人開創與外界進行信息交換和控制的全新方式，除了語言和動作的表達交流，我們還可以用腦電信號這種全新的方法來表達思想、指揮設備完成動作。目前，腦機接口還處于研究探索階段，只有少數的BCI進行了實際應用，研究者都希望提高腦-機接口的可靠性與安全性，使其更好的為人類服務，腦-機接口技術在康復醫療等研究領域具有非常大的應用前景和使用價值，我們需要進一步探索與努力奮斗，使腦-機接口技術能發揮更大的作用。

參考文獻

[1]高諾，魯守銀，張運楚，等.腦機接口技術的研究現狀及發展趨勢[J].機器人技術與應用，2008（4）：16-19.

[2]官金安，林家瑞.腦-機接口技術發展與挑戰[J].中國醫療器械雜志，2004，28（3）：157-164.

[3]賈子善.運動想象療法在腦卒中康復中的應用[J].中國康復醫學雜志，2004，19（11）：867-868.

[4]Pfurtscheller G ，Neuper C.Motor imaginary activates primary sensorimotor area in humans [J].Neuroseience Letters，1997，293（2）：65-68.

作者簡介：邢麗超，單位：國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心電學部，職稱：助理研究員。