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腦機接口(brain-computer interface,BCI),有時也稱作“大腦端口”direct neural interface或者“腦機融合感知[1] ”brain-machine interface,它是在人或動物腦(或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物)與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下,計算機或者接受腦傳來的命令,或者發(fā)送信號到腦(例如視頻重建),但不能同時發(fā)送和接收信號。而雙向腦機接口允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。
一些實驗室已實現(xiàn)從猴和大鼠的大腦皮層上記錄信號以便操作腦機接口來實現(xiàn)運動控制。實驗讓猴只是通過回想給定的任務(wù)(而沒有任何動作發(fā)生)來操縱屏幕上的計算機光標(biāo)并且控制機械臂完成簡單的任務(wù)。另外在貓上進(jìn)行的研究對視覺信號進(jìn)行了解碼。
對腦機接口的研究已持續(xù)了超過40年了。20世紀(jì)90年代中期以來,從實驗中獲得的此類知識顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎(chǔ)上,應(yīng)用于人體的早期植入設(shè)備被設(shè)計及制造出來,用于恢復(fù)損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性,它與腦機接口相適應(yīng),可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當(dāng)前所取得的技術(shù)與知識的進(jìn)展之下,腦機接口研究的先驅(qū)者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口,而不僅僅止于恢復(fù)人體的功能。這種技術(shù)在以前還只存在于科幻小說之中。
今天,如果我們想要看電視,我們需要用手控制遙控器;我們想操縱電腦,也必須使用雙手。然而,也許有一天,我們可以改變這一切,因為在不遠(yuǎn)的將來,人類與機器可以直接對話,不需通過肢體,只需要思維。這是在做夢嗎?不,這是一項新技術(shù)—“腦機接口”。
腦機接口(Brain-computer Interface,以下簡稱BCI),是近年來發(fā)展起來的一種人機接口,它不依賴于大腦的正常輸出通路(即外圍神經(jīng)和肌肉組織),就可以實現(xiàn)人腦與外界(計算機或其它外部裝置)直接通信的系統(tǒng)。廣義上講,這種通信也可以是雙向的,一方面外界的信息(聲音、需要記憶的內(nèi)容等)可以直接傳入大腦,比如電子耳蝸、大腦記憶芯片等;另一方面大腦可以直接控制外界環(huán)境,本文介紹的是后者。
BCI技術(shù)的出現(xiàn),使得用大腦信號直接控制外界環(huán)境的想法成為可能。要想實現(xiàn)BCI,有三個必要條件:第一,必須有一種能夠可靠反映大腦思維的信號;第二,這種信號能夠被實時且快速的收集;第三,這種信號有明確的分類。目前可用于BCI 的人腦信號有:EEG(腦電圖),EMG(腦磁圖)和fMRI(功能性核磁共振圖象)等。目前大多數(shù)BCI研究機構(gòu)采用的大腦信號是EEG。
人類的每一閃思維,每一種情緒,每一個想法,在大腦中都會產(chǎn)生特定的EEG信號,這種信號由千百萬個神經(jīng)元共同產(chǎn)生,并在大腦內(nèi)傳播。不同思維情況下產(chǎn)生的神經(jīng)電活動信號表現(xiàn)出不同的時空變化模式,會導(dǎo)致EEG信號的不同,將檢測到的EEG信號傳送給計算機或相關(guān)裝置,經(jīng)過有效的信號處理與模式識別后,計算機就能識別出使用者的思維狀態(tài),并完成所希望的控制行為,比如移動光標(biāo)、開門、打字和開機等。
一、基本原理
1.1 BCI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
BCI系統(tǒng)一般都具備信號采集,信號分析和控制器三個功能模塊。
(1)信號采集:受試者頭部戴上一個電極帽,采集EEG信號,并傳送給放大器,信號一般需放大10000倍左右,經(jīng)過預(yù)處理,包括信號的的濾波和A/D 轉(zhuǎn)換,最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲于計算機中。
(2)信號分析:利用ICA、PCA、FFT、小波分析等方法,從經(jīng)過預(yù)處理的EEG 信號中提取與受試者意圖相關(guān)的特定特征量(如頻率變化、幅度變化等);特征量提取后交給分類器進(jìn)行分類,分類器的輸出即作為控制器的輸入。
(3)控制器:將已分類的信號轉(zhuǎn)換為實際的動作,如在顯示器上的光標(biāo)移動、機械手運動、字母輸入、控制輪椅、開電視等。
有些BCI系統(tǒng)還設(shè)置了反饋環(huán)節(jié)(如圖1中所示),不僅能讓受試者清楚自己的思維產(chǎn)生的控制結(jié)果,同時還能夠幫助受試者根據(jù)這個結(jié)果來自主調(diào)整腦電信號,以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
BCI系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
1.2 BCI分類
BCI系統(tǒng)沒有固定模式,有多種分類方式:
(1)按照信號獲取的方式不同可分為有創(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(nèi)部,采集大腦內(nèi)部的電信號,此法更精確,但有一定創(chuàng)傷風(fēng)險;目前絕大多數(shù)BCI系統(tǒng)為無創(chuàng)傷系統(tǒng),毋需動手術(shù),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(fēng)險。
(2)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(chǎn)生特定的思維意識,這樣便于信號分析,目前大多數(shù)BCI系統(tǒng)屬于同步系統(tǒng),一般用于初始階段;異步BCI系統(tǒng)則不限定受試者何時產(chǎn)生特定的思維意識,系統(tǒng)自動判定并完成相應(yīng)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。真正實用的BCI系統(tǒng)是異步系統(tǒng)。
(3)根據(jù)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,信號采樣、處理、分析和控制都是實時實現(xiàn)的,同時給受試者反饋,大多數(shù)BCI系統(tǒng)是在線系統(tǒng);離線BCI系統(tǒng)實時記錄EEG數(shù)據(jù),離線分析這些數(shù)據(jù),一般來說離線BCI系統(tǒng)只用來評估測試和抽取特征量。
(4)根據(jù)所采用的腦電信號的不同可分為基于P300的BCI、基于慢皮層電位(SCP)的BCI、基于視覺誘發(fā)電位(VEP)的BCI、基于事件相關(guān)電位(ERP)的BCI等。
目前的BCI系統(tǒng)大多是在線的、同步的和無創(chuàng)傷系統(tǒng)。
二、方法
2.1 EEG 信號采樣及存儲
(1)電極
目前多數(shù)采用按照國際10~20 系統(tǒng)設(shè)定好電極位置的電極帽來提取EEG信號。
(2)電極數(shù)目的確定和位置的選擇
在BCI 研究中,需要確定測量EEG 信號的電極的數(shù)目。較多的電極數(shù)目,在提高EEG信號定位的準(zhǔn)確性的同時增加了處理的復(fù)雜度,建議使用盡可能少的電極。電極位置的選擇取決于BCI系統(tǒng)本身的要求及與EEG信號特征變化相關(guān)的腦區(qū)。
(3)預(yù)處理
信號采集過程中,會夾雜干擾,常見的有市電干擾、眼動干擾、聲音干擾等,必須通過某種方式減弱或除去干擾,同時保證原有信號成分特征不被改變。
(4)存儲
通過電極帽采集的信號是模擬信號,在輸入到計算機處理之前,必須通過A/D板將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,以便存儲在計算機內(nèi)進(jìn)一步分析處理。
2.2 BCI 研究中采用EEG信號的類型
(1)P300
P300 是一種事件相關(guān)電位,其峰值大約出現(xiàn)在事件發(fā)生后300毫秒,相關(guān)事件發(fā)生的概率越小,所引起的P300越顯著。
(2)視覺誘發(fā)電位
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,稱之為視覺誘發(fā)電位(VEP)。
(3)事件相關(guān)同步或去同步電位
單邊的肢體運動或想象運動,對側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位(ERD),同側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)同步電位(ERS)。
(4)皮層慢電位
皮層慢電位(SCP)是皮層電位的變化,持續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒,實驗者通過反饋訓(xùn)練學(xué)習(xí),可以自主控制SCP 幅度產(chǎn)生正向或負(fù)向偏移。
(5)自發(fā)腦電信號
在不同的意識狀態(tài)下,人們腦電中的不同節(jié)律呈現(xiàn)出各異的活動狀態(tài)。按照所在頻段的不同分類,一般采用希臘字母(α、β、γ、δ、θ)來表示不同的自發(fā)EEG 信號節(jié)律。比如α節(jié)律在8-13Hz頻段,而β節(jié)律則在13-22Hz頻段。
采用以上幾種腦電信號作為BCI輸入信號,具有各自的特點和局限。P300和VEP 都屬于誘發(fā)電位,不需要進(jìn)行訓(xùn)練,其信號檢測和處理方法較簡單且正確率較高,不足之處是需要額外的刺激裝置提供刺激,并且依賴于人的某種知覺(如視覺)。其它幾類信號的優(yōu)點是可以不依賴外部刺激就可產(chǎn)生,但需要大量的特殊訓(xùn)練。
BCI所使用的EEG信號
信號名稱 |
描述 |
m 節(jié)律 |
m波都是一種8-12 Hz的 自發(fā)EEG,它與運動相關(guān),在感覺運動皮層記錄幅度最大,幅度大小可以通過訓(xùn)練人為控制。 |
事件相關(guān)同步/去同步電位(ERS/ERD) |
運動相關(guān)的頻率域增強或減弱,在運動皮層記錄幅度最大。受試者可以通過訓(xùn)練改變相關(guān)頻率段信號幅度,甚至在受試者想象運動,但實際上沒有運動時也存在。 |
慢皮層電位(SCP) |
EEG信號較大的正向或負(fù)向偏移,時程在300毫秒至幾分鐘。受試者可以通過訓(xùn)練產(chǎn)生這種偏移。 |
誘發(fā)電位的P300成分 |
EEG信號的正向偏移,在刺激后300-400毫秒達(dá)到峰值。在中央頂葉區(qū)域可以記錄到最大幅度,不需要訓(xùn)練。 |
短時程視覺誘發(fā)電位(VEP) |
短時程視覺刺激所引起的腦電變化,最大幅度出現(xiàn)在枕區(qū),不需要訓(xùn)練。 |
穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位 (SSVEP) |
特定頻率段視覺刺激引發(fā)的腦電變化,可以通過刺激調(diào)整腦電變化幅度,從而達(dá)到控制外界的目的。 |
2.3 訓(xùn)練
時至今日,大多數(shù)BCI研究主要集中于技術(shù)層面的研究,即如何更好地采集、處理和分類EEG信號。然而,EEG信號的產(chǎn)生者是人,而不是機器,他(她)的一舉一動都可能會對實驗產(chǎn)生影響。因此,BCI實驗中對受試者的訓(xùn)練也是值得關(guān)注的。
如何對受試者進(jìn)行訓(xùn)練呢?也就是說,我們用什么實驗方案?不同的BCI系統(tǒng)采用不同的實驗方案。一般來講,方案幾個階段,每個階段又分成若干小節(jié),每一小節(jié)大概持續(xù)幾分鐘,每個方案可能會持續(xù)半個小時到幾個小時。
某些BCI系統(tǒng)基于事件誘發(fā)電位的,如P300 或VEP,并不需要訓(xùn)練,受試者按照指示就能啟動實驗。通常,為了實驗?zāi)軌蝽樌_展,在初次實驗前,對受試者都要進(jìn)行訓(xùn)練,只是時間長短而已。訓(xùn)練的時間和過程因BCI 系統(tǒng)和受試者而異。
在某些BCI系統(tǒng)中,用戶必須了解如何自主調(diào)節(jié)自身的EEG信號幅度,這時訓(xùn)練是必不可少的,而且訓(xùn)練時間可能會很長;在基于模式識別的BCI系統(tǒng)中,訓(xùn)練側(cè)重于獲得相應(yīng)的參數(shù);在基于操作條件方法的BCI系統(tǒng)中,可能需要受試者反復(fù)訓(xùn)練,可能長達(dá)數(shù)月才能達(dá)到預(yù)計的效果。
2.4 反饋
大多數(shù)BCI系統(tǒng)是需要反饋的,最常見的反饋形式是光標(biāo)控制,受試者把光標(biāo)移到指定目標(biāo)位置,只能使用上/下或左/右兩組命令。一開始,光標(biāo)在屏幕中央,每一節(jié)以光標(biāo)碰到目標(biāo)位置或相反位置為結(jié)束。當(dāng)碰到目標(biāo)位置,光標(biāo)會閃爍,說明成功;這種反饋能夠加強受試者用意念操作光標(biāo)的信心。光標(biāo)控制提供的反饋是持續(xù)性反饋,受試者能夠親眼看到自己意念驅(qū)動光標(biāo)在移動,如方向不對可以及時調(diào)整。
在BCI系統(tǒng)中,特別是基于操作條件的BCI系統(tǒng)中,反饋是必要的,受試者需要知道哪種意念能夠移動光標(biāo)朝哪個方向運動,反饋既有好處也有負(fù)面影響。
1、好處:
(1)激勵持續(xù)性實驗的動力。看不到結(jié)果的實驗令人沮喪,不斷看到自己能用意念操縱光標(biāo)朝目的地移動無疑是一種巨大的激勵。
(2)吸引受試者的注意力。不斷有進(jìn)展,會使受試者倍感興趣,注意力不易分散。
(3)提供反饋給信號處理模塊,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
2、負(fù)面影響
(1)反饋可能會引起意念“不純”。反饋會使受試者會產(chǎn)生實驗以外的意念,從而使采集的EEG信號并不僅僅反映實驗的內(nèi)容。
(2)反饋的結(jié)果會對受試者EEG信號有影響。如光標(biāo)移動中,正確的移動會使受試者加快移動速度;錯誤的移動會使受試者喪氣,兩者都會對EEG信號產(chǎn)生影響。
(3)視覺刺激反饋可能會影響?節(jié)律。
2.5 算法
BCI的算法是指在信號處理階段,能夠?qū)CI 輸入的信號轉(zhuǎn)化為對實際裝置進(jìn)行控制的命令的一系列信號處理算法,也就是說,這些算法可以從當(dāng)前使用者的腦電信號獲得抽象的特征向量,并將這些向量轉(zhuǎn)化為決定設(shè)備控制的命令。一般來講,這些特征量是包含在特定的頻率段內(nèi),如果某一特征量代表的思維狀態(tài)過多,交叉過大,使用這一特征量就很難區(qū)分不同思維狀態(tài);反之,如果某一特征量能夠嚴(yán)格區(qū)分不同思維狀態(tài),使用這一特征量就能具有很好的功效??傊瑹o論采用哪種算法,都以實現(xiàn)最優(yōu)的性能及良好的實用性為目的。
下面簡單介紹幾種在信號處理階段實際用到的算法:
(1)獨立分量分析(ICA)
在腦機接口分析中的應(yīng)用ICA 方法可從腦電信號中分離出各種不同的獨立分量。在進(jìn)行預(yù)處理之后,可以繼而通過設(shè)計實驗,如進(jìn)行鼠標(biāo)移動、手的想象移動、開燈等,對腦電信號進(jìn)行特征分析和提取,提取進(jìn)行這些實驗時的腦電信號特征,從中發(fā)現(xiàn)與之相對應(yīng)的穩(wěn)定的思維腦電獨立分量模式,進(jìn)而用于BCI信號的分類。
(2)小波變換
對信號進(jìn)行小波分解,分析EEG信號的分布特點,選擇EEG信號能量相對集中且能較好地反映信號主要特征的頻帶設(shè)計小波時頻濾波器。小波變換能準(zhǔn)確快速地提取出有明顯特征的EEG信號,有利于提高腦機接口通信速度及正確率。
(3)遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)
用遺傳算法對特征信號進(jìn)行分類時,要從檢測到的腦電信號中抽提出大量的特征信號,然后通過遺傳算法去除偽特征信號,保留有用的特征信號作為驅(qū)動信號。這種算法的特點是要對特征信號進(jìn)行大量的分析運算,從中找到各種特征參數(shù),然后從中挑取最優(yōu)的部分,算法的運算量較大。
還有其他很多算法,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯-卡爾曼濾波、線性判別分析等,在此就不一一闡述。
三、研究現(xiàn)狀
正式研究BCI的時間至今不足20年,目前絕大部分BCI研究處于實驗室研究階段,尚無大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。1999年和2002年兩次BCI國際會議的召開以及2006年即將召開的第三屆BCI國際會議,為BCI的發(fā)展推波助瀾。下面是一些國際上BCI研究有影響的實驗室:
1、奧地利Graz理工大學(xué)
Pfurtscheller等人采用事件相關(guān)同步/去同步 (ERS/ERD) 電位作為BCI信號輸入。在這套系統(tǒng)中,受試者可以控制光標(biāo)的移動。
2、美國Wadsworth中心
Wolpaw等人訓(xùn)練受試者自由調(diào)節(jié)自身?節(jié)律,并通過?節(jié)律的變化來實現(xiàn)光標(biāo)移動、字母拼寫和假肢控制等功能。由于靈活控制自身?節(jié)律變化比較困難,所以并不是每個受試者都能學(xué)會使用這套裝置。
3、德國Tübingen大學(xué)
Birbaumer等人設(shè)計了一個名為思想翻譯器(Thought Translation Device,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。
4、美國伊利若斯大學(xué)
Farwell和Donchin采用P300誘發(fā)電位作為BCI信號輸入。在計算機顯示屏上顯示一個6?6包含36個字母的格子,使用者要求選擇一個特定字母,每行和每列都在閃爍,頻率為10Hz,計算對每行和每列閃爍的平均反應(yīng),測量P300幅值。對包含特定字母的行和列的反應(yīng)幅度最大,根據(jù)這個特性就可以從P300誘發(fā)電位中“找到”特定字母。
5、美國Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所
Sutter等人設(shè)計的腦反應(yīng)接口以對視覺刺激反應(yīng)中所產(chǎn)生的視覺誘發(fā)電位(VEP)作為BCI信號輸入,通過誘發(fā)電位選擇計算機顯示屏上某一特定部分,進(jìn)而可以實現(xiàn)選擇的功能。
6、我國清華大學(xué)
高上凱等人深入分析了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)的特征和提取方法,設(shè)計了具有高傳輸速率的基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機接口系統(tǒng),可用于殘疾人的動作控制或環(huán)境設(shè)備控制等領(lǐng)域。
以上幾種BCI系統(tǒng)間的比較。
不同BCI間的比較
系統(tǒng) |
訓(xùn)練時間 |
選項個數(shù) |
速度(比特每分鐘) |
錯誤率 |
持續(xù)性 |
用戶滿意度 |
奧地利Graz理工大學(xué) |
2-2.5 小時 |
2 |
N/A |
<11% |
N/A |
N/A |
美國Wadsworth中心 |
幾個小時 |
2 |
20 |
10% |
N/A |
N/A |
德國Tübingen大學(xué) |
幾個月 |
27 |
2 |
10-30% |
不好 |
間接反感 |
美國伊利若斯大學(xué) |
幾分鐘 |
36 |
4 |
5% |
很好 |
N/A |
美國Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所 |
10-60 分鐘 |
64 |
30 |
10% |
很好 |
還行 |
其中速度值為平均速度,N/A表示沒有數(shù)據(jù)報道或沒有討論。
四、存在的問題
BCI既是一門新興的研究領(lǐng)域,作為一門交叉學(xué)科,涉及計算機科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理認(rèn)知科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、數(shù)學(xué)、信號處理、臨床醫(yī)學(xué)、自動控制等多個領(lǐng)域。仍有大量的問題尚待解決,目前主要存在以下問題:
1、速度太慢。從整體性能上看,大多數(shù)信息傳輸率在20比特/分鐘以下,對于一些實際應(yīng)用還太慢。
2、穩(wěn)定性不高。系統(tǒng)穩(wěn)定性隨研究方法、受試者和控制系統(tǒng)不同變化較大;缺乏自適應(yīng)能力。
3、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前尚無統(tǒng)一的BCI基礎(chǔ)理論框架,兼容性較差。
4、實用性不強。目前的BCI系統(tǒng)大多都是在特定的實驗室環(huán)境下設(shè)計,真正在日常生活環(huán)境下的應(yīng)用極少; BCI裝置的制作費用一般都很昂貴;這些都使得BCI系統(tǒng)的實際應(yīng)用受到限制。
5、采樣信號缺乏具體意義。很難把腦電信號類型與心理意識活動直接聯(lián)系起來。
6、沒有統(tǒng)一信號處理方法。信號處理方法是目前BCI研究的重點,由于百家爭鳴也造成目前研究方法的多樣性,特征提取方法和分類方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),沒有任何一種信號處理方法能夠為所有BCI研究者所采納。
7、反饋的必需性。要不要反饋?如何反饋?目前仍有爭議。一方面,反饋提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,同時,另一方面,反饋也給整個系統(tǒng)帶來額外的負(fù)荷,可能會降低信息傳輸率,同時也給受試者帶來操作上的困難。
8、訓(xùn)練的必要性。目前對要不要訓(xùn)練及采取何種訓(xùn)練尚有不同觀點.有些BCI系統(tǒng)還需要較長時間的訓(xùn)練過程,需要受試者掌握改變自身腦電變化的技巧,需要耗費大量的時間和精力,容易產(chǎn)生疲憊和反感。
9、難以持續(xù)性工作。目前大多數(shù)BCI系統(tǒng)都只是在特定范圍內(nèi)工作,系統(tǒng)的連續(xù)工作能力受到了限制,受試者難以在實驗中實時“觀察”自己所有的意識。
10、個體差異造成很大影響。由于每個人的思維方式、行為習(xí)慣等都不完全一樣,需要針對每一類人設(shè)計不同的實驗參數(shù)和訓(xùn)練方法。即使是同一個人,由于他(她)的注意力、身體狀況、心理狀況、情緒態(tài)度、操作適用性、目的性等的改變,也可能會改變實驗參數(shù),造成已設(shè)計好的BCI裝置可能無法繼續(xù)使用。
五、應(yīng)用前景
由于BCI系統(tǒng)可以不依賴于外部肌肉和神經(jīng)就可以實現(xiàn)人機交互,因此有著極為廣闊的應(yīng)用前景。目前,BCI的應(yīng)用主要集中于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、人工智能的實現(xiàn)以及提供新型的娛樂方式。
5.1 在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,BCI 可以幫助肢體障礙患者提高他們的生活質(zhì)量。
1、實現(xiàn)簡單的通信。通過BCI能夠使用電腦瀏覽網(wǎng)頁、撥打電話和模擬閱讀等。
2、控制周圍環(huán)境。通過BCI可以控制輪椅、開門、開燈等。
3、運動康復(fù)。通過BCI 控制康復(fù)機器人的方法,輔助傷殘人士進(jìn)行運動功能重建和生活自理。
4、治療。BCI 技術(shù)可以為將來治療技術(shù)的發(fā)展起到推動作用,如利用深層大腦激勵來治療帕金森病。
5.2 在醫(yī)學(xué)以外的其它方面的應(yīng)用
雖然目前BCI 系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用,在其它諸多領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用。
1、特殊環(huán)境作業(yè)。例如,宇航員可以應(yīng)用BCI監(jiān)控遠(yuǎn)距離的儀器設(shè)備;控制機器人在危險或不適宜人工操作的環(huán)境中工作。
2、BCI可以為電子游戲提供附加控制。當(dāng)前流行的電子游戲是要操作者靠鼠標(biāo)、鍵盤或操縱桿來進(jìn)行操作的,如果能夠?qū)崿F(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(shù)領(lǐng)域中,可使用BCI來進(jìn)行創(chuàng)新。例如,生物收音機、人腦化音樂設(shè)備等。
4、生物身份識別。由于EEG信號有特異性,在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)一種交互式、主動型的人體身份驗證系統(tǒng)。
從理論上講,只要有神經(jīng)電參與并可分類的通信系統(tǒng),都可以應(yīng)用BCI技術(shù)。
總結(jié)
在過去的十幾年中,BCI 的研究發(fā)展十分迅猛,目前的BCI 研究主要是為某些患者(一般指思維正常但有運動障礙的病人)提供一種與外界交流的手段或控制外界的方式以及協(xié)助其康復(fù).隨著對人腦結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的愈加清晰,提取腦電信號技術(shù)手段的提高,以及高效率、低成本的計算機的出現(xiàn),BCI 研究人員將研究出“更快、更準(zhǔn)、更易”的BCI技術(shù)。當(dāng)然,在BCI的發(fā)展中仍存在著諸多挑戰(zhàn)。比如,目前尚無一個BCI 系統(tǒng)可以做到既精確又能實現(xiàn)快速控制;還沒有真正的商業(yè)化產(chǎn)品問世。
總之,BCI研究有著廣闊的前景,不僅加強對人自身的認(rèn)識,同時也將改變?nèi)祟惖纳罘绞健?/p>
今天,如果我們想要看電視,我們需要用手控制遙控器;我們想操縱電腦,也必須使用雙手。然而,也許有一天,我們可以改變這一切,因為在不遠(yuǎn)的將來,人類與機器可以直接對話,不需通過肢體,只需要思維。這是在做夢嗎?不,這是一項新技術(shù)—“腦機接口”。
腦機接口(Brain-computer Interface,以下簡稱BCI),是近年來發(fā)展起來的一種人機接口,它不依賴于大腦的正常輸出通路(即外圍神經(jīng)和肌肉組織),就可以實現(xiàn)人腦與外界(計算機或其它外部裝置)直接通信的系統(tǒng)。廣義上講,這種通信也可以是雙向的,一方面外界的信息(聲音、需要記憶的內(nèi)容等)可以直接傳入大腦,比如電子耳蝸、大腦記憶芯片等;另一方面大腦可以直接控制外界環(huán)境,本文介紹的是后者。
BCI技術(shù)的出現(xiàn),使得用大腦信號直接控制外界環(huán)境的想法成為可能。要想實現(xiàn)BCI,有三個必要條件:第一,必須有一種能夠可靠反映大腦思維的信號;第二,這種信號能夠被實時且快速的收集;第三,這種信號有明確的分類。目前可用于BCI 的人腦信號有:EEG(腦電圖),EMG(腦磁圖)和fMRI(功能性核磁共振圖象)等。目前大多數(shù)BCI研究機構(gòu)采用的大腦信號是EEG。
人類的每一閃思維,每一種情緒,每一個想法,在大腦中都會產(chǎn)生特定的EEG信號,這種信號由千百萬個神經(jīng)元共同產(chǎn)生,并在大腦內(nèi)傳播。不同思維情況下產(chǎn)生的神經(jīng)電活動信號表現(xiàn)出不同的時空變化模式,會導(dǎo)致EEG信號的不同,將檢測到的EEG信號傳送給計算機或相關(guān)裝置,經(jīng)過有效的信號處理與模式識別后,計算機就能識別出使用者的思維狀態(tài),并完成所希望的控制行為,比如移動光標(biāo)、開門、打字和開機等。
一、基本原理
1.1 BCI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
BCI系統(tǒng)一般都具備信號采集,信號分析和控制器三個功能模塊。
(1)信號采集:受試者頭部戴上一個電極帽,采集EEG信號,并傳送給放大器,信號一般需放大10000倍左右,經(jīng)過預(yù)處理,包括信號的的濾波和A/D 轉(zhuǎn)換,最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號存儲于計算機中。
(2)信號分析:利用ICA、PCA、FFT、小波分析等方法,從經(jīng)過預(yù)處理的EEG 信號中提取與受試者意圖相關(guān)的特定特征量(如頻率變化、幅度變化等);特征量提取后交給分類器進(jìn)行分類,分類器的輸出即作為控制器的輸入。
(3)控制器:將已分類的信號轉(zhuǎn)換為實際的動作,如在顯示器上的光標(biāo)移動、機械手運動、字母輸入、控制輪椅、開電視等。
有些BCI系統(tǒng)還設(shè)置了反饋環(huán)節(jié)(如圖1中所示),不僅能讓受試者清楚自己的思維產(chǎn)生的控制結(jié)果,同時還能夠幫助受試者根據(jù)這個結(jié)果來自主調(diào)整腦電信號,以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
BCI系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
1.2 BCI分類
BCI系統(tǒng)沒有固定模式,有多種分類方式:
(1)按照信號獲取的方式不同可分為有創(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(nèi)部,采集大腦內(nèi)部的電信號,此法更精確,但有一定創(chuàng)傷風(fēng)險;目前絕大多數(shù)BCI系統(tǒng)為無創(chuàng)傷系統(tǒng),毋需動手術(shù),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(fēng)險。
(2)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(chǎn)生特定的思維意識,這樣便于信號分析,目前大多數(shù)BCI系統(tǒng)屬于同步系統(tǒng),一般用于初始階段;異步BCI系統(tǒng)則不限定受試者何時產(chǎn)生特定的思維意識,系統(tǒng)自動判定并完成相應(yīng)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。真正實用的BCI系統(tǒng)是異步系統(tǒng)。
(3)根據(jù)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,信號采樣、處理、分析和控制都是實時實現(xiàn)的,同時給受試者反饋,大多數(shù)BCI系統(tǒng)是在線系統(tǒng);離線BCI系統(tǒng)實時記錄EEG數(shù)據(jù),離線分析這些數(shù)據(jù),一般來說離線BCI系統(tǒng)只用來評估測試和抽取特征量。
(4)根據(jù)所采用的腦電信號的不同可分為基于P300的BCI、基于慢皮層電位(SCP)的BCI、基于視覺誘發(fā)電位(VEP)的BCI、基于事件相關(guān)電位(ERP)的BCI等。
目前的BCI系統(tǒng)大多是在線的、同步的和無創(chuàng)傷系統(tǒng)。
二、方法
2.1 EEG 信號采樣及存儲
(1)電極
目前多數(shù)采用按照國際10~20 系統(tǒng)設(shè)定好電極位置的電極帽來提取EEG信號。
(2)電極數(shù)目的確定和位置的選擇
在BCI 研究中,需要確定測量EEG 信號的電極的數(shù)目。較多的電極數(shù)目,在提高EEG信號定位的準(zhǔn)確性的同時增加了處理的復(fù)雜度,建議使用盡可能少的電極。電極位置的選擇取決于BCI系統(tǒng)本身的要求及與EEG信號特征變化相關(guān)的腦區(qū)。
(3)預(yù)處理
信號采集過程中,會夾雜干擾,常見的有市電干擾、眼動干擾、聲音干擾等,必須通過某種方式減弱或除去干擾,同時保證原有信號成分特征不被改變。
(4)存儲
通過電極帽采集的信號是模擬信號,在輸入到計算機處理之前,必須通過A/D板將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,以便存儲在計算機內(nèi)進(jìn)一步分析處理。
2.2 BCI 研究中采用EEG信號的類型
(1)P300
P300 是一種事件相關(guān)電位,其峰值大約出現(xiàn)在事件發(fā)生后300毫秒,相關(guān)事件發(fā)生的概率越小,所引起的P300越顯著。
(2)視覺誘發(fā)電位
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,稱之為視覺誘發(fā)電位(VEP)。
(3)事件相關(guān)同步或去同步電位
單邊的肢體運動或想象運動,對側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位(ERD),同側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生事件相關(guān)同步電位(ERS)。
(4)皮層慢電位
皮層慢電位(SCP)是皮層電位的變化,持續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒,實驗者通過反饋訓(xùn)練學(xué)習(xí),可以自主控制SCP 幅度產(chǎn)生正向或負(fù)向偏移。
(5)自發(fā)腦電信號
在不同的意識狀態(tài)下,人們腦電中的不同節(jié)律呈現(xiàn)出各異的活動狀態(tài)。按照所在頻段的不同分類,一般采用希臘字母(α、β、γ、δ、θ)來表示不同的自發(fā)EEG 信號節(jié)律。比如α節(jié)律在8-13Hz頻段,而β節(jié)律則在13-22Hz頻段。
采用以上幾種腦電信號作為BCI輸入信號,具有各自的特點和局限。P300和VEP 都屬于誘發(fā)電位,不需要進(jìn)行訓(xùn)練,其信號檢測和處理方法較簡單且正確率較高,不足之處是需要額外的刺激裝置提供刺激,并且依賴于人的某種知覺(如視覺)。其它幾類信號的優(yōu)點是可以不依賴外部刺激就可產(chǎn)生,但需要大量的特殊訓(xùn)練。
BCI所使用的EEG信號
信號名稱 |
描述 |
m 節(jié)律 |
m波都是一種8-12 Hz的 自發(fā)EEG,它與運動相關(guān),在感覺運動皮層記錄幅度最大,幅度大小可以通過訓(xùn)練人為控制。 |
事件相關(guān)同步/去同步電位(ERS/ERD) |
運動相關(guān)的頻率域增強或減弱,在運動皮層記錄幅度最大。受試者可以通過訓(xùn)練改變相關(guān)頻率段信號幅度,甚至在受試者想象運動,但實際上沒有運動時也存在。 |
慢皮層電位(SCP) |
EEG信號較大的正向或負(fù)向偏移,時程在300毫秒至幾分鐘。受試者可以通過訓(xùn)練產(chǎn)生這種偏移。 |
誘發(fā)電位的P300成分 |
EEG信號的正向偏移,在刺激后300-400毫秒達(dá)到峰值。在中央頂葉區(qū)域可以記錄到最大幅度,不需要訓(xùn)練。 |
短時程視覺誘發(fā)電位(VEP) |
短時程視覺刺激所引起的腦電變化,最大幅度出現(xiàn)在枕區(qū),不需要訓(xùn)練。 |
穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位 (SSVEP) |
特定頻率段視覺刺激引發(fā)的腦電變化,可以通過刺激調(diào)整腦電變化幅度,從而達(dá)到控制外界的目的。 |
2.3 訓(xùn)練
時至今日,大多數(shù)BCI研究主要集中于技術(shù)層面的研究,即如何更好地采集、處理和分類EEG信號。然而,EEG信號的產(chǎn)生者是人,而不是機器,他(她)的一舉一動都可能會對實驗產(chǎn)生影響。因此,BCI實驗中對受試者的訓(xùn)練也是值得關(guān)注的。
如何對受試者進(jìn)行訓(xùn)練呢?也就是說,我們用什么實驗方案?不同的BCI系統(tǒng)采用不同的實驗方案。一般來講,方案幾個階段,每個階段又分成若干小節(jié),每一小節(jié)大概持續(xù)幾分鐘,每個方案可能會持續(xù)半個小時到幾個小時。
某些BCI系統(tǒng)基于事件誘發(fā)電位的,如P300 或VEP,并不需要訓(xùn)練,受試者按照指示就能啟動實驗。通常,為了實驗?zāi)軌蝽樌_展,在初次實驗前,對受試者都要進(jìn)行訓(xùn)練,只是時間長短而已。訓(xùn)練的時間和過程因BCI 系統(tǒng)和受試者而異。
在某些BCI系統(tǒng)中,用戶必須了解如何自主調(diào)節(jié)自身的EEG信號幅度,這時訓(xùn)練是必不可少的,而且訓(xùn)練時間可能會很長;在基于模式識別的BCI系統(tǒng)中,訓(xùn)練側(cè)重于獲得相應(yīng)的參數(shù);在基于操作條件方法的BCI系統(tǒng)中,可能需要受試者反復(fù)訓(xùn)練,可能長達(dá)數(shù)月才能達(dá)到預(yù)計的效果。
2.4 反饋
大多數(shù)BCI系統(tǒng)是需要反饋的,最常見的反饋形式是光標(biāo)控制,受試者把光標(biāo)移到指定目標(biāo)位置,只能使用上/下或左/右兩組命令。一開始,光標(biāo)在屏幕中央,每一節(jié)以光標(biāo)碰到目標(biāo)位置或相反位置為結(jié)束。當(dāng)碰到目標(biāo)位置,光標(biāo)會閃爍,說明成功;這種反饋能夠加強受試者用意念操作光標(biāo)的信心。光標(biāo)控制提供的反饋是持續(xù)性反饋,受試者能夠親眼看到自己意念驅(qū)動光標(biāo)在移動,如方向不對可以及時調(diào)整。
在BCI系統(tǒng)中,特別是基于操作條件的BCI系統(tǒng)中,反饋是必要的,受試者需要知道哪種意念能夠移動光標(biāo)朝哪個方向運動,反饋既有好處也有負(fù)面影響。
1、好處:
(1)激勵持續(xù)性實驗的動力。看不到結(jié)果的實驗令人沮喪,不斷看到自己能用意念操縱光標(biāo)朝目的地移動無疑是一種巨大的激勵。
(2)吸引受試者的注意力。不斷有進(jìn)展,會使受試者倍感興趣,注意力不易分散。
(3)提供反饋給信號處理模塊,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
2、負(fù)面影響
(1)反饋可能會引起意念“不純”。反饋會使受試者會產(chǎn)生實驗以外的意念,從而使采集的EEG信號并不僅僅反映實驗的內(nèi)容。
(2)反饋的結(jié)果會對受試者EEG信號有影響。如光標(biāo)移動中,正確的移動會使受試者加快移動速度;錯誤的移動會使受試者喪氣,兩者都會對EEG信號產(chǎn)生影響。
(3)視覺刺激反饋可能會影響?節(jié)律。
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