面向無創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)的研究

1929 年Hans Berger 首次記錄到人類腦電圖，從此拉開了研究關(guān)于腦電信號作用和功能的序幕。隨著各個領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，腦機(jī)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(nèi)外不超過6 個的研究組織，至今已經(jīng)發(fā)展到了成百上千個。多數(shù)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(zhàn)略高地，如美國政府推出了腦科學(xué)研究計劃，規(guī)劃了腦科學(xué)領(lǐng)域以后的研究方向和內(nèi)容^[1]。我國同樣十分重視神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能的發(fā)展，不僅在2016 年出臺了推動腦科學(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議上著重強(qiáng)調(diào)人工智能、腦科學(xué)與類腦研究等前沿領(lǐng)域的研究，再次提高研究經(jīng)費(fèi)比重，深度挖掘腦科學(xué)相關(guān)的應(yīng)用價值，順應(yīng)了人類社會發(fā)展的大趨勢、搶抓新機(jī)遇。

1 腦機(jī)接口系統(tǒng)

1.1 腦機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于生理電信號的BCI 通信系統(tǒng)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。

1）獲取腦電信號

獲取腦電信號是腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在一個安靜的實驗環(huán)境下，受試者佩戴好采集腦電信號的設(shè)備完成實驗內(nèi)容；

2）信號處理模塊

該模塊包括預(yù)處理、特征提取與特征分類。信號預(yù)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；特征提取即通過相關(guān)算法將采集到的腦電信號中能夠反映實驗者意圖的突出特征提取出來；特征分類即將上一步提取到的特征進(jìn)行分類，判斷實驗者的意圖，從而達(dá)到分類識別的目的；

3）控制模塊

該模塊可以理解為外部設(shè)備讀懂大腦神經(jīng)信號并且可以執(zhí)行控制命令的過程，實現(xiàn)腦與外界的交流溝通。除此之外，還會在實驗者和外部設(shè)備之間加入反饋環(huán)節(jié)，根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可以提高系統(tǒng)整體性能。

1.2 腦機(jī)接口系統(tǒng)分類

目前，因腦電信號采集方便且采集設(shè)備價格相對低廉等優(yōu)勢，使當(dāng)前研究最廣泛的腦機(jī)接口是基于腦電信號的無創(chuàng)BCI 系統(tǒng)?；贓EG 的BCI 系統(tǒng)包括：運(yùn)動想(MI)BCI 系統(tǒng)、基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)BCI系統(tǒng)、基于慢性皮層(SCP) 電位BCI 系統(tǒng)和基于時間相關(guān)電位(P300)BCI 系統(tǒng)。其中，運(yùn)動想象腦機(jī)接口系統(tǒng)是指人類肢體的運(yùn)動, 如左右手、雙腳、舌頭的實際運(yùn)動和想象運(yùn)動, 均會引發(fā)大腦感覺運(yùn)動皮層相應(yīng)區(qū)域腦電活動的增強(qiáng), 導(dǎo)致相關(guān)感覺運(yùn)動節(jié)律被抑制, 即ERD現(xiàn)象; 而在實際或者想象運(yùn)動結(jié)束或者進(jìn)入休息狀態(tài)之后, 該區(qū)域腦電活動減弱, 導(dǎo)致相關(guān)感覺運(yùn)動節(jié)律活動的上升, 即ERS 現(xiàn)象。研究表明,ERD/ERS 現(xiàn)象可表現(xiàn)為幅值特征的降低/ 升高, 人們能夠通過控制感覺運(yùn)動皮層EEG 信號的mu(8~13Hz) 和beta(18~25Hz) 節(jié)律的幅值變化(ERD/ERS) 來控制如電腦屏幕上的光標(biāo)移動。相對幅值特征, 相位特征研究較少。

2016 年，通過在一名由于車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(shè)計了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP) 的字符拼寫腦機(jī)接口系統(tǒng)；M TeresaMedina-Juliá 等人設(shè)計了基于P300 的腦- 計算機(jī)接口拼寫器。清華大學(xué)神經(jīng)工程實驗室高小榕教授課題組研究了基于SSVEP 的BCI 系統(tǒng)，設(shè)計視覺拼寫器，在實現(xiàn)目標(biāo)控制、信息傳輸方面取得重要進(jìn)展；長春科技大學(xué)嚴(yán)武研究了基于P300 的BCI 系統(tǒng)，并設(shè)計了一種新的拼寫范式，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紅點，結(jié)果獲得了更高的分類準(zhǔn)確性和信息傳輸速率，提高了P300 拼寫系統(tǒng)的性能。這些BCI 拼寫系統(tǒng)使嚴(yán)重運(yùn)動障礙患者通過大腦活動與外界進(jìn)行交流，而無需肌肉移動性。

東南大學(xué)莊玉等人設(shè)計了一種基于運(yùn)動想象腦電信號的BCI 系統(tǒng)，用于地面車輛控制，并有可能應(yīng)用于殘疾人作為移動輔助工具。

國內(nèi)外有很多課題組都研究并設(shè)計了不同BCI 系統(tǒng)，并取得的豐碩的科研成果，但是不同模態(tài)的腦機(jī)接口分別存在著不同的缺陷，相關(guān)研究并不能證明某種生理電信號能夠?qū)Ρ绕渌盘栐谀承┣闆r下具有不可替代的優(yōu)勢，因此，為了提高傳統(tǒng)的單模態(tài)腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能提出了結(jié)合腦電圖與其他生理信號的混合腦機(jī)接口技術(shù)，可以完成相對復(fù)雜的任務(wù)?；旌夏X機(jī)接口是由兩個BCI，或至少1 個BCI 和另一個系統(tǒng)組成的，既可以同時處理輸入信息，也可以按順序操作兩個系統(tǒng)，其中第一個系統(tǒng)可以充當(dāng)“大腦開關(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(jī)械臂組成的綜合輔助系統(tǒng)的控制，目的是幫助使用者從1 個隨機(jī)的地方移動，并抓住1 個放置在遠(yuǎn)處的目標(biāo)物體。用戶通過執(zhí)行左手/ 右手的運(yùn)動圖像來左右操縱輪椅，并通過執(zhí)行兩種眼動( 眨眼和揚(yáng)眉) 來生成其他輪椅或機(jī)械臂命令。實驗結(jié)果表明，所提出的多模態(tài)BCI 可以提供滿意的控制精度，以控制一個綜合輔助系統(tǒng)完成復(fù)雜的日常任務(wù)。

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

2 腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

腦機(jī)接口技術(shù)在國際上屬于科技前沿的熱點領(lǐng)域，具有十分重大的理論意義和空前廣闊的發(fā)展前景，將來會有越來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(jī)接口的成熟，帶動其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面發(fā)展?，F(xiàn)階段，對于BCI 系統(tǒng)需要進(jìn)一步深入研究才能應(yīng)用到實際生活中，但是對BCI 系統(tǒng)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(jī)接口的研究領(lǐng)域如下：

1）醫(yī)療領(lǐng)域^[3]。該領(lǐng)域是腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用中最早和最重要的。BCI 系統(tǒng)可以替代一些喪失運(yùn)動功能的患者的肌肉神經(jīng)輸出，提供非肌肉通信路徑，讓病人通過這種全新的輸出通路與外界重新聯(lián)系，有效地表達(dá)自己最基本的需求和想法；BCI 系統(tǒng)可以訓(xùn)練他們的大腦運(yùn)動皮層，促進(jìn)患者恢復(fù)，增強(qiáng)幸福感；BCI 技術(shù)可以減少癲癇患者的癲癇發(fā)作次數(shù)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(hù)理床等其他輔助設(shè)備，減輕此類人群的心理負(fù)擔(dān)、降低生活中的不方便性和對護(hù)理人員的依賴性；

3）游戲娛樂領(lǐng)域。腦機(jī)接口技術(shù)向玩家提供了除了傳統(tǒng)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(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實相結(jié)合，增加游戲體驗的沉浸感；

4）疲勞檢測領(lǐng)域。腦機(jī)接口在這個領(lǐng)域的應(yīng)用主要是健康人員，擴(kuò)大了適用人員范圍。一些特殊作業(yè)崗位如機(jī)動車駕駛員、宇航員、飛行員等人員的疲勞程度和認(rèn)知負(fù)荷是影響安全性的重要指標(biāo)，利用腦機(jī)接口檢測腦電信號，可以預(yù)防過度疲勞工作，更好地保證人身生命和財產(chǎn)安全；

5）教育領(lǐng)域。腦機(jī)接口技術(shù)通過相關(guān)算法量化表征大腦注意力，能夠?qū)崟r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(xù)教學(xué)安排提供參考依據(jù)，也可以通過相關(guān)范式訓(xùn)練兒童注意力，促進(jìn)大腦發(fā)育；

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

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

3 結(jié)束語

截至目前，大多數(shù)BCI 系統(tǒng)的實驗者都是健康人，在臨床和市場上還沒有成熟的實際應(yīng)用，雖然在探索生物電信號的解碼過程中存在一些不足，但是腦機(jī)接口技術(shù)的提出為人類提供了一種全新的與外界的信息交互形式，在軍事、醫(yī)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(jī)接口技術(shù)目前在國際上屬于科技前沿的熱點領(lǐng)域，具有十分重大的理論意義和空前廣闊的發(fā)展前景，將來會有越來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(jī)接口的成熟，帶動其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面發(fā)展。相信隨著科研水平的進(jìn)步，算法的精進(jìn)，BCI 技術(shù)在未來會有更廣闊的發(fā)展。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期）