面向無(wú)創(chuàng )腦機接口系統的研究

1929 年Hans Berger 首次記錄到人類(lèi)腦電圖，從此拉開(kāi)了研究關(guān)于腦電信號作用和功能的序幕。隨著(zhù)各個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，腦機接口的研究從科學(xué)幻想階段進(jìn)入科學(xué)論證階段，國際上的科研工作者的熱情空前高漲，從國內外不超過(guò)6 個(gè)的研究組織，至今已經(jīng)發(fā)展到了成百上千個(gè)。多數國家相繼出臺發(fā)展腦科學(xué)的相關(guān)政策，爭搶世界前沿科技戰略高地，如美國政府推出了腦科學(xué)研究計劃，規劃了腦科學(xué)領(lǐng)域以后的研究方向和內容^[1]。我國同樣十分重視神經(jīng)科學(xué)和類(lèi)腦人工智能的發(fā)展，不僅在2016 年出臺了推動(dòng)腦科學(xué)發(fā)展的相關(guān)政策^[2]，部署“一體兩翼”，還于2021 年十三屆全國人大四次會(huì )議上著(zhù)重強調人工智能、腦科學(xué)與類(lèi)腦研究等前沿領(lǐng)域的研究，再次提高研究經(jīng)費比重，深度挖掘腦科學(xué)相關(guān)的應用價(jià)值，順應了人類(lèi)社會(huì )發(fā)展的大趨勢、搶抓新機遇。

1 腦機接口系統

1.1 腦機接口系統結構

基于生理電信號的BCI 通信系統的基本原理如圖1所示，包括獲取腦電信號、信號處理模塊和控制模塊，技術(shù)核心在于對腦電信號的讀寫(xiě)。

1）獲取腦電信號

獲取腦電信號是腦機接口系統應用的前提，在一個(gè)安靜的實(shí)驗環(huán)境下，受試者佩戴好采集腦電信號的設備完成實(shí)驗內容；

2）信號處理模塊

該模塊包括預處理、特征提取與特征分類(lèi)。信號預處理即在不丟失信號信息的情況下消除噪聲和去除偽跡，提高信號質(zhì)量；特征提取即通過(guò)相關(guān)算法將采集到的腦電信號中能夠反映實(shí)驗者意圖的突出特征提取出來(lái)；特征分類(lèi)即將上一步提取到的特征進(jìn)行分類(lèi)，判斷實(shí)驗者的意圖，從而達到分類(lèi)識別的目的；

3）控制模塊

該模塊可以理解為外部設備讀懂大腦神經(jīng)信號并且可以執行控制命令的過(guò)程，實(shí)現腦與外界的交流溝通。除此之外，還會(huì )在實(shí)驗者和外部設備之間加入反饋環(huán)節，根據反饋結果調整系統參數，可以提高系統整體性能。

1.2 腦機接口系統分類(lèi)

目前，因腦電信號采集方便且采集設備價(jià)格相對低廉等優(yōu)勢，使當前研究最廣泛的腦機接口是基于腦電信號的無(wú)創(chuàng )BCI 系統?；贓EG 的BCI 系統包括：運動(dòng)想(MI)BCI 系統、基于穩態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)BCI系統、基于慢性皮層(SCP) 電位BCI 系統和基于時(shí)間相關(guān)電位(P300)BCI 系統。其中，運動(dòng)想象腦機接口系統是指人類(lèi)肢體的運動(dòng), 如左右手、雙腳、舌頭的實(shí)際運動(dòng)和想象運動(dòng), 均會(huì )引發(fā)大腦感覺(jué)運動(dòng)皮層相應區域腦電活動(dòng)的增強, 導致相關(guān)感覺(jué)運動(dòng)節律被抑制, 即ERD現象; 而在實(shí)際或者想象運動(dòng)結束或者進(jìn)入休息狀態(tài)之后, 該區域腦電活動(dòng)減弱, 導致相關(guān)感覺(jué)運動(dòng)節律活動(dòng)的上升, 即ERS 現象。研究表明,ERD/ERS 現象可表現為幅值特征的降低/ 升高, 人們能夠通過(guò)控制感覺(jué)運動(dòng)皮層EEG 信號的mu(8~13Hz) 和beta(18~25Hz) 節律的幅值變化(ERD/ERS) 來(lái)控制如電腦屏幕上的光標移動(dòng)。相對幅值特征, 相位特征研究較少。

2016 年，通過(guò)在一名由于車(chē)禍癱瘓在床的年輕人Nathan Copeland 大腦中植入微小的芯片，可以讓其操控假肢與奧巴馬握手。

Han-Jeong Hwang 等人設計了基于穩態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP) 的字符拼寫(xiě)腦機接口系統；M TeresaMedina-Juliá 等人設計了基于P300 的腦- 計算機接口拼寫(xiě)器。清華大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗室高小榕教授課題組研究了基于SSVEP 的BCI 系統，設計視覺(jué)拼寫(xiě)器，在實(shí)現目標控制、信息傳輸方面取得重要進(jìn)展；長(cháng)春科技大學(xué)嚴武研究了基于P300 的BCI 系統，并設計了一種新的拼寫(xiě)范式，其中虛擬字符矩陣的閃爍行或列被半透明的綠色圓圈覆蓋，上半部分或下半部分有一個(gè)紅點(diǎn)，結果獲得了更高的分類(lèi)準確性和信息傳輸速率，提高了P300 拼寫(xiě)系統的性能。這些BCI 拼寫(xiě)系統使嚴重運動(dòng)障礙患者通過(guò)大腦活動(dòng)與外界進(jìn)行交流，而無(wú)需肌肉移動(dòng)性。

東南大學(xué)莊玉等人設計了一種基于運動(dòng)想象腦電信號的BCI 系統，用于地面車(chē)輛控制，并有可能應用于殘疾人作為移動(dòng)輔助工具。

國內外有很多課題組都研究并設計了不同BCI 系統，并取得的豐碩的科研成果，但是不同模態(tài)的腦機接口分別存在著(zhù)不同的缺陷，相關(guān)研究并不能證明某種生理電信號能夠對比其他信號在某些情況下具有不可替代的優(yōu)勢，因此，為了提高傳統的單模態(tài)腦機接口系統的性能提出了結合腦電圖與其他生理信號的混合腦機接口技術(shù)，可以完成相對復雜的任務(wù)?；旌夏X機接口是由兩個(gè)BCI，或至少1 個(gè)BCI 和另一個(gè)系統組成的，既可以同時(shí)處理輸入信息，也可以按順序操作兩個(gè)系統，其中第一個(gè)系統可以充當“大腦開(kāi)關(guān)”。

南理工大學(xué)和牛津大學(xué)共同合作提出了一種基于EEG 和EOG 的新型混合BCI，用于輪椅和機械臂組成的綜合輔助系統的控制，目的是幫助使用者從1 個(gè)隨機的地方移動(dòng)，并抓住1 個(gè)放置在遠處的目標物體。用戶(hù)通過(guò)執行左手/ 右手的運動(dòng)圖像來(lái)左右操縱輪椅，并通過(guò)執行兩種眼動(dòng)( 眨眼和揚眉) 來(lái)生成其他輪椅或機械臂命令。實(shí)驗結果表明，所提出的多模態(tài)BCI 可以提供滿(mǎn)意的控制精度，以控制一個(gè)綜合輔助系統完成復雜的日常任務(wù)。

Jeong Heo 等人設計了一種新的混合SSVEP-P300拼寫(xiě)器，結果表明：所提出的拼寫(xiě)器與傳統拼寫(xiě)器相比提高了信息傳輸速率。

2 腦機接口系統應用領(lǐng)域

腦機接口技術(shù)在國際上屬于科技前沿的熱點(diǎn)領(lǐng)域，具有十分重大的理論意義和空前廣闊的發(fā)展前景，將來(lái)會(huì )有越來(lái)越多的科研工作者深入研究這一領(lǐng)域，不斷促進(jìn)和完善腦機接口的成熟，帶動(dòng)其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面發(fā)展?，F階段，對于BCI 系統需要進(jìn)一步深入研究才能應用到實(shí)際生活中，但是對BCI 系統的不斷研究對一些喪失肢體控制功能的患者具有非凡的意義。腦機接口的研究領(lǐng)域如下：

1）醫療領(lǐng)域^[3]。該領(lǐng)域是腦機接口技術(shù)應用中最早和最重要的。BCI 系統可以替代一些喪失運動(dòng)功能的患者的肌肉神經(jīng)輸出，提供非肌肉通信路徑，讓病人通過(guò)這種全新的輸出通路與外界重新聯(lián)系，有效地表達自己最基本的需求和想法；BCI 系統可以訓練他們的大腦運動(dòng)皮層，促進(jìn)患者恢復，增強幸福感；BCI 技術(shù)可以減少癲癇患者的癲癇發(fā)作次數等功能；

2）生活輔助領(lǐng)域^[4]。輔助殘疾人和年老體弱人群的日常生活，如智能腦電控制的假肢、輪椅和腦控護理床等其他輔助設備，減輕此類(lèi)人群的心理負擔、降低生活中的不方便性和對護理人員的依賴(lài)性；

3）游戲娛樂(lè )領(lǐng)域。腦機接口技術(shù)向玩家提供了除了傳統游戲中單一的手控方法的新的操控模式，方法新穎，可以和虛擬現實(shí)和增強現實(shí)相結合，增加游戲體驗的沉浸感；

4）疲勞檢測領(lǐng)域。腦機接口在這個(gè)領(lǐng)域的應用主要是健康人員，擴大了適用人員范圍。一些特殊作業(yè)崗位如機動(dòng)車(chē)駕駛員、宇航員、飛行員等人員的疲勞程度和認知負荷是影響安全性的重要指標，利用腦機接口檢測腦電信號，可以預防過(guò)度疲勞工作，更好地保證人身生命和財產(chǎn)安全；

5）教育領(lǐng)域。腦機接口技術(shù)通過(guò)相關(guān)算法量化表征大腦注意力，能夠實(shí)時(shí)檢測學(xué)生的注意力集中程度，提高教師的教學(xué)質(zhì)量，為后續教學(xué)安排提供參考依據，也可以通過(guò)相關(guān)范式訓練兒童注意力，促進(jìn)大腦發(fā)育；

6）軍事領(lǐng)域。腦機接口技術(shù)可以利用腦電信號控制無(wú)人機尋找任務(wù)目標，也可以用于日常軍事訓練項目，提高軍事人員的反應速度，潛在應用價(jià)值極高。

近年來(lái)，隨著(zhù)該技術(shù)的發(fā)展對于BCI 技術(shù)的研究越來(lái)越多，BCI 已經(jīng)拓展到更廣泛的應用領(lǐng)域。未來(lái)BCI甚至可能成為人與手機、汽車(chē)等產(chǎn)品之間的通用控制接口, 普遍用于各種需要人機交互的場(chǎng)合。

3 結束語(yǔ)

截至目前，大多數BCI 系統的實(shí)驗者都是健康人，在臨床和市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的實(shí)際應用，雖然在探索生物電信號的解碼過(guò)程中存在一些不足，但是腦機接口技術(shù)的提出為人類(lèi)提供了一種全新的與外界的信息交互形式，在軍事、醫療、智能家居和電子游戲等眾多領(lǐng)域都受到廣泛的關(guān)注。

總而言之，腦機接口技術(shù)目前在國際上屬于科技前沿的熱點(diǎn)領(lǐng)域，具有十分重大的理論意義和空前廣闊的發(fā)展前景，將來(lái)會(huì )有越來(lái)越多的科研工作者深入研究這一領(lǐng)域，不斷促進(jìn)和完善腦機接口的成熟，帶動(dòng)其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面發(fā)展。相信隨著(zhù)科研水平的進(jìn)步，算法的精進(jìn)，BCI 技術(shù)在未來(lái)會(huì )有更廣闊的發(fā)展。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）