腦-機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用研究

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 陳 思

腦-機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用研究

武警工程大學(xué)研究生管理大隊(duì) 陳 思

腦-機(jī)接口（BCI）技術(shù)是指不依賴于人的神經(jīng)末梢，在大腦與外部設(shè)備之間建立起來(lái)的直接連接通路。作為一種新興技術(shù)，BCI在國(guó)際上得到了廣泛的關(guān)注，其傳輸速度和分類精度也已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。本文首先介紹了BCI系統(tǒng)的基本組成部分，而后對(duì)BCI的發(fā)展歷史進(jìn)行概述，最后總結(jié)了BCI技術(shù)的應(yīng)用前景。

腦-機(jī)接口；基本結(jié)構(gòu)；應(yīng)用前景

0　引言

腦-機(jī)接口（BCI）技術(shù)，是在人和外部設(shè)備之間建立的，不依賴于人的神經(jīng)末梢和肌肉組織的一種信息傳輸通路。通過(guò)該系統(tǒng)，人們可以不需要語(yǔ)言和動(dòng)作而直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)大腦信息的傳輸。BCI技術(shù)需要神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科的密切協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)，是一門交叉學(xué)科，具有較強(qiáng)的發(fā)展前景。

1　基本結(jié)構(gòu)

腦-機(jī)接口系統(tǒng)一般由信號(hào)采集模塊，信號(hào)分析模塊和控制器等三大部分組成。

1.1信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集設(shè)備分為嵌入型和非嵌入型。嵌入型設(shè)備需要通過(guò)外科手術(shù)將電極植入顱內(nèi)，雖然這種方式具有準(zhǔn)確的定位性和較高的分辨率，但是這是一種有創(chuàng)傷的記錄方式，因此主要用于病患被試。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中大多采用的是非嵌入設(shè)備，將電極貼在頭皮表面，例如電極帽等，是一種無(wú)創(chuàng)傷性的信號(hào)采集方式。

1.2信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊將采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，識(shí)別腦電信號(hào)，分析出大腦對(duì)外部設(shè)備的控制指令。信號(hào)處理包括信號(hào)預(yù)處理、特征提取和特征分類三部分。

（1）信號(hào)預(yù)處理：信號(hào)預(yù)處理的目的是為信號(hào)進(jìn)行特征提取和分類做準(zhǔn)備，去除不必要的成分和干擾，例如去除眼電等。主要方法有空間濾波和帶通濾波等。

（2）特征提取：在信號(hào)預(yù)處理的基礎(chǔ)上，提取出能識(shí)別大腦意圖的信號(hào)特征。當(dāng)前常用的特征提取方法主要有時(shí)域、頻域和時(shí)頻域等。

（3）特征分類：對(duì)提取特征進(jìn)行分類分析，確定大腦運(yùn)動(dòng)或意識(shí)與信號(hào)特征的關(guān)系。常用的分類方法有線性判別分析、貝葉斯-卡爾曼濾波、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法等。其中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較為廣泛。

2　BCI腦電信號(hào)模式研究

腦電信號(hào)是實(shí)現(xiàn)BCI技術(shù)的基礎(chǔ)，具有一些顯著的特點(diǎn)：（1）微弱且容易受到心電、眼電等人體其他電信號(hào)的干擾；（2）容易受到人的精神狀態(tài)的影響；（3）信號(hào)的產(chǎn)生和識(shí)別受到實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降韧獠恳蛩氐挠绊?。?dāng)前，可用的腦電信號(hào)主要包括：P300電位、慢皮層電位（SCP）、穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位（SSVEP）以及自發(fā)腦電信號(hào)等。

P300電位：是指當(dāng)一個(gè)常規(guī)的刺激序列中突然出現(xiàn)一個(gè)新的刺激時(shí)，在其出現(xiàn)后的300ms左右，在大腦的頂區(qū)會(huì)產(chǎn)生一種正波成份，主要集中于中央視覺(jué)區(qū)。1965，年Sutton 等發(fā)現(xiàn)了P300 電位［1］。這是一種認(rèn)知電位，目標(biāo)閃爍的時(shí)間間隔會(huì)直接影響該電位的強(qiáng)弱。

慢皮層電位（SCP）：是一種事件相關(guān)電位，是指從頭皮腦電信號(hào)中分析得到的時(shí)間相關(guān)電位中小于2Hz的成分，主要集中于中央腦區(qū)，因此被稱為慢皮層電位。1957 年Brookhart 等首次提出慢皮層電位［2］。事件相關(guān)電位需要被試主動(dòng)參與，識(shí)別刺激并作出反應(yīng)。

視覺(jué)穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位（SSVEP）：這是一種誘發(fā)性電位，是在受到閃爍刺激時(shí)，大腦視覺(jué)中樞產(chǎn)生的一種電位反應(yīng)，不需要對(duì)被試進(jìn)行訓(xùn)練就能夠產(chǎn)生。

自發(fā)腦電信號(hào)：在沒(méi)有刺激的情況下，大腦會(huì)自發(fā)產(chǎn)生一些頻段的節(jié)律，常用希臘字母（α、β、γ等）表示。其中，α節(jié)律為8到12Hz，β節(jié)律在13到29Hz，γ節(jié)律為30到50 Hz。

3　BCI發(fā)展歷史

20世紀(jì)30年代，腦-機(jī)接口技術(shù)開始走入人們的視線。當(dāng)時(shí)，Hans Berger 首先發(fā)明了能夠用來(lái)記錄腦信號(hào)的儀器，1969年，Jacques Vida 第一次使用了腦-機(jī)接口這一名詞。1973 年， Vidal 博士通過(guò)對(duì)大腦和計(jì)算機(jī)之間通訊的研究，開啟了腦-機(jī)接口研究時(shí)代。

腦-機(jī)接口技術(shù)自興起后就得到了廣泛關(guān)注，并取得了顯著進(jìn)展。1991年，美國(guó)Wolpaw等人通過(guò)被試改變自身的μ節(jié)律來(lái)實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的功能，提出了腦電控制的概念。從那時(shí)起，BCI的研究進(jìn)入了正式發(fā)展階段。而后，國(guó)際上了分別于1999 年、2002 年和2006年舉辦了三次BCI國(guó)際數(shù)據(jù)競(jìng)賽（Data Competition），這是國(guó)際上唯一的腦-機(jī)接口競(jìng)賽。20世紀(jì)末，全球只有不到6個(gè)專門從事BCI研究的組織，2002年，這樣的組織迅速增加，達(dá)到40個(gè)，2007年，這樣的機(jī)構(gòu)則達(dá)到數(shù)以百計(jì)［3］。當(dāng)前，越來(lái)越多的大學(xué)、組織，甚至是商業(yè)公司都對(duì)BCI的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。1988年，F(xiàn)avill等人利用P300電位實(shí)現(xiàn)了大腦對(duì)虛擬打印機(jī)的直接控制。1999 年首次在Nature 上發(fā)表了與BCI有關(guān)的文獻(xiàn)［4］。

國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、重慶大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)等。其中，清華大學(xué)的高上凱教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)SSVEP的特征提取方法進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)出了高傳輸率的SSVEP-BCI系統(tǒng)。

國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)主要有Harvard University， MIT， University of California， University of Cambridge， 以及日本的一些專業(yè)研究機(jī)構(gòu)和公司等。

4　BCI技術(shù)的應(yīng)用研究

4.1BCI技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

BCI技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛，尤其是在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)為有行動(dòng)障礙的病患提供了一種與外界溝通的有效途徑。許多影響行動(dòng)障礙的疾病，例如腦癱、肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（ALS）等，癥狀主要表現(xiàn)為雖然大腦能夠正常思考，但是運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)功能障礙、肌肉不受控制，因此無(wú)法將大腦思維傳遞給外界，久而久之，就會(huì)導(dǎo)致大腦思維功能的退化。著名物理學(xué)家霍金就患有ALS，即“神經(jīng)漸凍癥”，目前沒(méi)有治療和康復(fù)的辦法，但是腦-機(jī)接口能夠?yàn)樗麄兲峁┮欢ǖ膸椭Ｖ袊?guó)有一位名為王甲的年輕人，就通過(guò)“眨眼睛”的方式完成了《人生沒(méi)有如果》一書［5］。

奧地利Graz 大學(xué)的Pfurtscheller等人，發(fā)明了基于BCI的腦控手矯形器［6］。

近年來(lái)，很多科學(xué)家還致力于將虛擬現(xiàn)實(shí)與腦-機(jī)接口技術(shù)相結(jié)合，為病患被試帶來(lái)一種全新的康復(fù)方式。

4.2BCI技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

BCI技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明，但是真正應(yīng)用還沒(méi)有全面展開。當(dāng)前，美軍對(duì)該技術(shù)的關(guān)注和發(fā)展尤為突出。美國(guó)國(guó)防部前副部長(zhǎng)Fred Charles在其著作《國(guó)家的自我毀滅》中，對(duì)腦電技術(shù)在軍事方面的影響給予了關(guān)注。美國(guó)國(guó)防部信息戰(zhàn)專家Thomas在題為《大腦沒(méi)有防火墻》的文章中提出了“感知操縱”的概念，美軍正沿著這一思路進(jìn)行研。

在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，基于腦-機(jī)接口的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用是一種必然的趨勢(shì)。在2010年熱映的電影《阿凡達(dá)》中，其遠(yuǎn)程操控作戰(zhàn)就利用了腦控的概念。2013年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）中披露，要通過(guò)腦控技術(shù)，對(duì)軍隊(duì)進(jìn)行全新的武裝。此外，美國(guó)空軍也在積極研究腦控技術(shù)在飛行員訓(xùn)練中的應(yīng)用。

4.3BCI技術(shù)在其他領(lǐng)域的研究

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，BCI技術(shù)也為廣大電子愛(ài)好者帶來(lái)了福音。谷歌公司開發(fā)的智能眼鏡開創(chuàng)了全新的電子市場(chǎng)，該產(chǎn)品一公布，就引起了廣大電子興趣愛(ài)好者的廣泛關(guān)注，成為電子市場(chǎng)的新寵。索尼等其他電子巨頭也在致力于該技術(shù)的開發(fā)。

近年來(lái)，腦電波測(cè)謊技術(shù)飛速發(fā)展，BCI技術(shù)為其提供了科學(xué)依據(jù)，我國(guó)已經(jīng)將基于事件相關(guān)單位的腦-機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用于刑事案件的偵查中［7］。

此外，開發(fā)商還將BCI技術(shù)應(yīng)用于游戲軟件的開發(fā)中，他們開發(fā)出通過(guò)大腦的腦電波來(lái)控制意念的小游戲，例如意念炸水果、意念花園等。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了BCI系統(tǒng)的基本構(gòu)成，對(duì)關(guān)鍵腦電信號(hào)模式進(jìn)行研究，而后概括了BCI的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，最后對(duì)其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行了研究。在科技深入人類生活的現(xiàn)代社會(huì)，BCI技術(shù)在理論和應(yīng)用上都日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，相信在不久的將來(lái)，BCI技術(shù)將走出實(shí)驗(yàn)室，廣泛應(yīng)用于人類的日常生活中。

［1］Sutton S，Braren M，Zubin J，John E R.Evoked-potential correlates of stimulus uncertainty. Science，1965，150（3700）：1187：1188.

［2］Pfurtscheller G，M.uller G R，Pfurtscheller J， Gerner H J，Rupp R. Thought”-control of functional electrical stimu-lation to restore hand grasp in a patient with tetraplegia. Neuroscience Letters， 2003，351（1）： 33：36.

［3］Mason S G，Bashshati A，F(xiàn)atourechi M，Navarro K F，Birch G E. A comprehensive survey of brain interface technology designs. Annals of Biomedical Engineering， 2007，35（2）：137：169.

［4］Birbaumer N，Ghanayim N，Hinterberger T，Iversen I， Kotchoubey B，K.ubler A，Perelmouter J，Taub E，F(xiàn)lor H.A spelling device for the paralysed.Nature，1999，398（6725）：297：298.

［5］洪波.從霍金到阿凡達(dá)：腦機(jī)接口植入讓你的思想“讀”出來(lái)［EB/OL］. http：//www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_201608176795. html，2016-08-17.

［6］王行愚，金晶，張宇，王蓓.腦控：基于腦機(jī)接口的人機(jī)融合控制［J］.Acta Automatica Sinica， vol. 39， no. 3，pp. 208，221， 2013.

［7］付翠.時(shí)間相關(guān)電位在刑事測(cè)謊中的應(yīng)用［J］.政法學(xué)刊，2005，05.