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          面向無創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)的研究

          作者:王雪婷1,魏靜1,范蕊2(1.山東外事職業(yè)大學(xué),山東乳山 264500;2.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心,哈爾濱 150000) 時(shí)間:2023-07-04 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:腦機(jī)接口(Brain-Computer Interface,BCI)系統(tǒng)可以使一些由于各種疾病或者災(zāi)難導(dǎo)致大腦功能正常卻因?yàn)樯窠?jīng)通路損壞而無法與外界交流的患者通過將大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成向外界輸出的控制命令,與外界建立新的實(shí)時(shí)交互關(guān)系。無創(chuàng)的腦電信號(hào)具有采集設(shè)備價(jià)格相對(duì)低廉、采集方便和頻域特征突出等優(yōu)勢(shì),所以目前對(duì)無創(chuàng)腦機(jī)接口的研究范圍最廣。BCI技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)都具有極大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義,應(yīng)用前景廣闊。

          1929 年Hans Berger 首次記錄到人類腦電圖,從此拉開了研究關(guān)于作用和功能的序幕。隨著各個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展,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(gè)的研究組織,至今已經(jīng)發(fā)展到了成百上千個(gè)。多數(shù)國家相繼出臺(tái)發(fā)展腦科學(xué)的相關(guān)政策,爭(zhēng)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(jì)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(tái)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(jià)值,順應(yīng)了人類社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)、搶抓新機(jī)遇。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202307/448301.htm

          1 系統(tǒng)

          1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

          基于生理電信號(hào)的BCI 通信系統(tǒng)的基本原理如圖1所示,包括獲取、信號(hào)處理模塊和控制模塊,技術(shù)核心在于對(duì)的讀寫。

          1)獲取腦電信號(hào)

          獲取腦電信號(hào)是腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用的前提,在一個(gè)安靜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,受試者佩戴好采集腦電信號(hào)的設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;

          2)信號(hào)處理模塊

          該模塊包括預(yù)處理、特征提取與特征分類。信號(hào)預(yù)處理即在不丟失信號(hào)信息的情況下消除噪聲和去除偽跡,提高信號(hào)質(zhì)量;特征提取即通過相關(guān)算法將采集到的腦電信號(hào)中能夠反映實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)者的意圖,從而達(dá)到分類識(shí)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(hào)并且可以執(zhí)行控制命令的過程,實(shí)現(xiàn)腦與外界的交流溝通。除此之外,還會(huì)在實(shí)驗(yàn)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。

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          1.2 腦機(jī)接口系統(tǒng)分類

          目前,因腦電信號(hào)采集方便且采集設(shè)備價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)勢(shì),使當(dāng)前研究最廣泛的腦機(jī)接口是基于腦電信號(hào)的BCI 系統(tǒng)?;贓EG 的BCI 系統(tǒng)包括:運(yùn)動(dòng)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(shí)間相關(guān)電位(P300)BCI 系統(tǒng)。其中,運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口系統(tǒng)是指人類肢體的運(yùn)動(dòng), 如左右手、雙腳、舌頭的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和想象運(yùn)動(dòng), 均會(huì)引發(fā)大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層相應(yīng)區(qū)域腦電活動(dòng)的增強(qiáng), 導(dǎo)致相關(guān)感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律被抑制, 即ERD現(xiàn)象; 而在實(shí)際或者想象運(yùn)動(dòng)結(jié)束或者進(jìn)入休息狀態(tài)之后, 該區(qū)域腦電活動(dòng)減弱, 導(dǎo)致相關(guān)感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律活動(dòng)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(dòng)皮層EEG 信號(hào)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(dòng)。相對(duì)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?jiān)诖驳哪贻p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(jì)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(jì)了基于P300 的腦- 計(jì)算機(jī)接口拼寫器。清華大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室高小榕教授課題組研究了基于SSVEP 的BCI 系統(tǒng),設(shè)計(jì)視覺拼寫器,在實(shí)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(jì)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(gè)紅點(diǎn),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(dòng)障礙患者通過大腦活動(dòng)與外界進(jìn)行交流,而無需肌肉移動(dòng)性。

          東南大學(xué)莊玉等人設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)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(dòng)輔助工具。

          國內(nèi)外有很多課題組都研究并設(shè)計(jì)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(hào)能夠?qū)Ρ绕渌盘?hào)在某些情況下具有不可替代的優(yōu)勢(shì),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(hào)的混合腦機(jī)接口技術(shù),可以完成相對(duì)復(fù)雜的任務(wù)?;旌夏X機(jī)接口是由兩個(gè)BCI,或至少1 個(gè)BCI 和另一個(gè)系統(tǒng)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(tǒng),其中第一個(gè)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(gè)隨機(jī)的地方移動(dòng),并抓住1 個(gè)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(dòng)圖像來左右操縱輪椅,并通過執(zhí)行兩種眼動(dòng)( 眨眼和揚(yáng)眉) 來生成其他輪椅或機(jī)械臂命令。實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)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(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,將來會(huì)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(dòng)其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的全面發(fā)展。現(xiàn)階段,對(duì)于BCI 系統(tǒng)需要進(jìn)一步深入研究才能應(yīng)用到實(shí)際生活中,但是對(duì)BCI 系統(tǒng)的不斷研究對(duì)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(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(dòng)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(duì)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(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相結(jié)合,增加游戲體驗(yàn)的沉浸感;

          4)疲勞檢測(cè)領(lǐng)域。腦機(jī)接口在這個(gè)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(dòng)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(cè)腦電信號(hào),可以預(yù)防過度疲勞工作,更好地保證人身生命和財(cái)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(shí)檢測(cè)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(hào)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(xiàng)目,提高軍事人員的反應(yīng)速度,潛在應(yīng)用價(jià)值極高。

          近年來,隨著該技術(shù)的發(fā)展對(duì)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(chǎng)合。

          3 結(jié)束語

          截至目前,大多數(shù)BCI 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)者都是健康人,在臨床和市場(chǎng)上還沒有成熟的實(shí)際應(yīng)用,雖然在探索生物電信號(hào)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(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,將來會(huì)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(dòng)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(huì)有更廣闊的發(fā)展。

          參考文獻(xiàn):

          [1] 高越.美國腦機(jī)接口技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].信息通信技術(shù)與政策,2020(12):75-80.

          [2] 王東輝,吳菲菲,王圣明,等.人類腦科學(xué)研究計(jì)劃的進(jìn)展[J].中國醫(yī)學(xué)創(chuàng)新,2019,16(7):168-172.

          [3] 楊幫華,李博.基于腦機(jī)接口的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2019,31(2):174-180.

          [4] 邱銅.基于腦機(jī)接口的智能病床運(yùn)動(dòng)控制器研究[D].杭州:浙江大學(xué),2019.

          (本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年6月期)



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