腦機接口的原理、研究進展及應用前景

朱潔儒

摘 要：近十幾年來，腦機接口得到迅速發(fā)展并且得到廣泛的應用。本文綜述了腦機接口的原理、種類和分類以及腦機接口的研究進展，最后對腦機接口的應用做了切合實際的展望。

關鍵詞：腦機接口 原理 研究進展 應用前景

許多疾病會破壞人腦的神經肌肉通道從而阻礙了人腦與外界通信或控制外部環(huán)境，而腦機接口可以通過分析腦電來識別大腦正在進行的各種思維活動以及意圖，從而可以使那些喪失外周神經肌肉控制能力的患者能夠與外部世界進行交流，使大多數(shù)殘疾人恢復原本的能力和功能。

一、腦機接口

（一）腦機接口的概念

BCI正成為腦科學、康復工程、生物醫(yī)學工程及人機自動控制研巧領域的一個研究熱點。它不依賴于腦的外周神經和肌肉輸出信息，而在大腦與外部設備之間建立的直接的交流通道，以彌補人類的某些缺陷或不足。

（二）腦機接口的原理

BCI系統(tǒng)應該能夠實現(xiàn)信息的雙向傳遞，但是目前對于BCI研究更多的是將大腦信號作為輸入，外部設備作為輸出。完整的腦機接口系統(tǒng)主要由H大模塊組成輸入（信號采集及預處理）、信號處理（輸入轉為輸出）、輸出（機器能識別的指令），最重要的是第二大模塊即信號處理。

信號采集

受試者頭部戴一個電極帽（盤裝或支架型電極），采集腦電（EEG）信號，通過導聯(lián)線傳送給放大器，經過預處理，并將信號放大10000倍左右，包括信號的濾波（高低通濾波）和A/D轉換，將采集信號信號轉化為數(shù)字信號并存儲于計算機中。

腦電信號作為BCI輸入信號，都具有各自的特點，主要有以下幾種：

第一，視覺誘發(fā)電位（VEP），是視覺器官受到光或圖形刺激后，在大腦特定部位所記錄的EEG電位變化。第二，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP），是特定頻率段視覺刺激引發(fā)的腦電變化，可以通過刺激調整腦電變化幅度，從而達到控制外界的目的。第三，事件相關同步/去同步電位，單邊的肢體運動或想象運動，對側腦區(qū)產生事件相關去同步電位（ERD），同側腦區(qū)產生事件相關同步電位（ERS）。

（三）腦機接口的分類

BCI系統(tǒng)有多種分類方式：

1.有創(chuàng)傷系統(tǒng)和無創(chuàng)傷系統(tǒng)

按照信號獲取的位置可分為有創(chuàng)傷系統(tǒng)和無創(chuàng)傷系統(tǒng)兩種。有創(chuàng)傷系統(tǒng)需要將電極放置于大腦內部，采集大腦內部的電信號，此法更精確，但有一定創(chuàng)傷風險；無創(chuàng)傷系統(tǒng)；毋需動手術，只需在受試者頭上戴上電極帽以記錄EEG信號，沒有創(chuàng)傷風險[12]但同時精確度下降。

2.同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)

按照信號控制的方式不同可分為同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)要求受試者必須在特定的時間產生特定的思維意識，這樣便于信號分析；異步BCI系統(tǒng)則不受時間的限制，隨時思維意識，系統(tǒng)自動判定并完成相應的控制，受試者可以隨心所欲通過思維來完成對外界的控制[12]。

3.在線系統(tǒng)和離線系統(tǒng)

根據信號處理的實時性可分為在線系統(tǒng)和離線系統(tǒng)。在線BCI系統(tǒng)中，實時實現(xiàn)信號采樣、處理、分析和控制，同時給受試者反饋；離線BCI系統(tǒng)實時記錄EEG數(shù)據，一般用來評估測試和抽取特征量[12 ，20]。

二、腦機接口的研究進展

（一）基于α波、μ節(jié)律和β節(jié)律的BCI系統(tǒng)

1.基于α波的BCI系統(tǒng)[12，20 -22]

1967年Dewan利用眼球運動產生的波幅度調節(jié)應用于morse電報電碼的發(fā)送。2005年王黎等人利用自發(fā)的α波對人類疲勞狀態(tài)進行評估。2008年。趙麗等人利用α波實現(xiàn)了對服務機器人的控制。

2.基于μ節(jié)律和β節(jié)律的BCI系統(tǒng)[12， 20-21]

在1999年就有學者利用μ節(jié)律和β節(jié)律控制假肢運動，2005年Tanaka等人利用μ節(jié)律和β節(jié)律實現(xiàn)了智能輪椅的左轉和右轉。2010-2012年不斷有學者利用這兩種節(jié)律研究不同類系的運動想象產生的腦電信號。

（二）基于慢皮層電位的BCI系統(tǒng)

1999年Kubler等人通過SCO提取控制信號，成功實現(xiàn)水平或垂直的移動電腦屏幕上的光標[21]。2003年BirbaumerN等人利用慢皮層電位設計了名為思想翻譯器（TTD）的裝置，通過慢皮層電位（SCP）的變化來實現(xiàn)對外界的控制，使用視覺反饋，實現(xiàn)了字母拼寫等功能，開關控制甚至上網等準確率大于75%[23-24]。

（三）基于P300電位的BCI系統(tǒng)

1988年Farwell和Donch采用P300誘發(fā)電位作為BCI信號輸入設計出虛擬打字機，從P300誘發(fā)電位中“找到”特定字母[25]。2005年Serby等設計的BCI采用了不同的信號處理方法也達到了92.1%的準確率[26]。

腦機接口的研究在這十幾年的時間里獲得了迅猛的發(fā)展，但是腦機接口的研究需要計算機科學機科學、神經生物學、數(shù)學、智能控制等各個相關學科的不斷發(fā)展與融合，才能獲得更加廣闊的前景，會面臨更大的挑戰(zhàn)但同時也獲得更大的成就。

三、應用前景

（一）在醫(yī)學方面的應用

在醫(yī)學領域中，BCI可以幫助肢體障礙患者提高他們的生活質量。現(xiàn)有的研究成功表明，肢體殘障患者恢復其受損的功能已不是遙不可及。

1.控制周圍環(huán)境，實現(xiàn)簡單的通信

通過BCI能夠使用電腦瀏覽網頁、撥打電話和模擬閱讀等。通過BCI可以控制輪椅、開門、開燈等[12] 。1999 年Chapin 等人用人工神經網絡算法將大鼠運動皮層神經集群電信號轉換為水泵控制指令，首次實現(xiàn)了大腦對外部設備的直接控制[30]。

2.生物體神經“修復”

通過BCI控制康復機器人的方法，輔助傷殘人士進行運動功能重建和生活自理。endprint

（1）感覺功能修復

（2）言語功能的康復

（二）在醫(yī)學以外的其它方面的應用[12]

雖然目前BCI系統(tǒng)主要應用于醫(yī)學領域，特別是為殘疾人提供幫助，但是BCI的用途決不僅僅限于在醫(yī)學領域中應用，在其它諸多領域都可以得到廣泛的應用。

（1）特殊環(huán)境作業(yè)。例如，宇航員可以應用BCI監(jiān)控遠距離的儀器設備；通過操控機器人在危險或不適宜人工操作的環(huán)境中代替人類工作。

（2）BCI以為電子游戲提供附加控制。當前流行的電子游戲是要操作者靠鼠標、鍵盤或操縱桿來進行操作的，如果能夠實現(xiàn)靠“思想”就能完成控制的電子游戲，一定會吸引更多的游戲愛好者。

（3）在藝術領域。例如生物收音機、人腦化音樂設備等。

（4）生物身份識別。

四、結論

在過去的十幾年中，BCI的研究發(fā)展十分迅猛，人們可以利用BCI直接用腦電信號來表達思想、控制設備，隨著計算機科學、神經生物學、數(shù)學、智能控制等各個相關學科的不斷發(fā)展與融合。

參考文獻：

[1]Penfield W， Jasper H. Epilepsy and the functional anatomy of the human brain.[J]. Southern Medical Journal， 1954， 47（7）：64.

[2]Wolpaw J R， Mcfarland D J， Vaughan T M. Brain-computer interface research at the Wadsworth Center.[J]. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering A Publication of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society， 2000， 8（2）：222.

[3]朱華. 非語言溝通在腦卒中交流障礙患者中的應用[J]. 基層醫(yī)學論壇， 2007， 11（24）：1128-1129.

[4]胡劍鋒. 未來不是夢——腦機接口綜述[J]. 江西藍天學院學報， 2006（2）：81-88.endprint