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(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(jià)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下，受試者佩戴好采集腦電信號的設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)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(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(shí)現(xiàn)腦與外界的交流溝通。除此之外，還會在實(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。

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(jià)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(shí)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(shí)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?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(jì)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(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(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(shí)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(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(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(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(shí)驗(yàn)者都是健康人，在臨床和市場上還沒有成熟的實(shí)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(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）