腦機接口系統(tǒng)介紹NeuroscanBCISystem

1、*今天，若是我們想要看電視，我們需要用手控制遙控器；我們想控制電腦，也必須使用雙手。但是，也許有一天，我們能夠改變這所有，由于在不遠(yuǎn)的將來，人類與機器能夠直接對話，不需經(jīng)過肢體，只要要思想。這是在做夢嗎？不，這是一項新技術(shù)“腦機接口”。腦機接口（Brain-computerInterface，以下簡稱BCI），是近來幾年來發(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（即外面神經(jīng)和肌肉組織），就可以實現(xiàn)人腦與外界（計算機或其他外面裝置）直接通信的系統(tǒng)。廣義上講，這種通信也能夠是雙向的，一方面外界的信息（聲音、需要記憶的內(nèi)容等）能夠直接傳入大腦，比方電子耳蝸、大腦記憶芯片等；另一方面大腦能

2、夠直接控制外界環(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，必定有一種能夠可靠反響大腦思想的信號；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。當(dāng)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。當(dāng)前大多數(shù)BCI研究機構(gòu)采用的大腦信號是EEG。人類的每一閃思想，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)流傳。不相同思想情況下產(chǎn)生的神經(jīng)電活動信號表現(xiàn)出不相同的時空變化模式，會以致EEG信號的

3、不同，將檢測到的EEG信號傳達給計算機或相關(guān)裝置，經(jīng)過有效的信號辦理與模式鑒識后，計算機就能鑒識出使用者的思想狀態(tài)，并完成所希望的控制行為，比方搬動光標(biāo)、開門、打字和開機等。*一、基根源理1.1BCI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)BCI系一致般都具備信號收集，信號解析和控制器三個功能模塊。（1）信號收集：受試者頭部戴上一個電極帽，收集EEG信號，并傳達給放大器，信號一般需放大10000倍左右，經(jīng)過預(yù)辦理，包括信號的的濾波和A/D變換，最后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號儲藏于計算機中。（2）信號解析：利用ICA、PCA、FFT、小波解析等方法，從經(jīng)過預(yù)辦理的EEG信號中提取與受試者妄圖相關(guān)的特定特點量（如頻率變化、幅度變化等）

4、；特點量提取后交給分類器進行分類，分類器的輸出即作為控制器的輸入。（3）控制器：將已分類的信號變換為實質(zhì)的動作，如在顯示器上的光標(biāo)搬動、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)置了反響環(huán)節(jié)（如圖1中所示），不但能讓受試者清楚自己的思想產(chǎn)生的控制結(jié)果，同時還能夠夠幫助受試者依照這個結(jié)果來自主調(diào)整腦電信號，以達到預(yù)期目標(biāo)。BCI系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)*1.2BCI分類BCI系統(tǒng)沒有固定模式，有多種分類方式：（1）依照信號獲得的方式不相同可分為有創(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，收集大腦內(nèi)部的電信號，此法更精確，但有必然創(chuàng)傷風(fēng)險；當(dāng)前絕大多數(shù)BCI系統(tǒng)為無創(chuàng)傷系

5、統(tǒng)，毋需著手術(shù)，只要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）依照信號控制的方式不相同可分為同步系統(tǒng)和異步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)要求受試者必定在特定的時間產(chǎn)生特定的思想意識，這樣便于信號解析，當(dāng)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)則不限制受試者何時產(chǎn)生特定的思想意識，系統(tǒng)自動判斷并完成相應(yīng)的控制，受試者能夠為非作歹經(jīng)過思想來完成對外界的控制。真切合用的BCI系統(tǒng)是異步系統(tǒng)。（3）依照信號辦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、辦理、解析和控制都是實時實現(xiàn)的，同時給受試者反響,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

6、數(shù)據(jù)，離線解析這些數(shù)據(jù)，一般來說離線BCI系統(tǒng)只用來評估測試和抽取特點量。（4）依照所采用的腦電信號的不相同可分為基于P300的BCI、基于慢皮層電位（SCP）的BCI、基于視覺引起電位（VEP）的BCI、基于事件相關(guān)電位ERP）的BCI等。當(dāng)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2.1EEG信號采樣及儲藏（1）電極*當(dāng)前多數(shù)采用依照國際1020系統(tǒng)設(shè)定好電極地址的電極帽來提取EEG信號。（2）電極數(shù)目的確定和地址的選擇在BCI研究中，需要確定測量EEG信號的電極的數(shù)目。很多的電極數(shù)目，在提高EEG信號定位的正確性的同時增加了辦理的復(fù)雜度，建議使用盡可能少的電極。電極地址的選

7、擇取決于BCI系統(tǒng)自己的要求及與EEG信號特點變化相關(guān)的腦區(qū)。（3）預(yù)辦理信號收集過程中，會夾雜攪亂，常有的有市電攪亂、眼動攪亂、聲音攪亂等，必定經(jīng)過某種方式減弱或除去攪亂，同時保證原有信號成分特點不被改變。（4）儲藏經(jīng)過電極帽收集的信號是模擬信號，在輸入到計算機辦理從前，必定經(jīng)過A/D板將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，以便儲藏在計算機內(nèi)進一步解析辦理。2.2BCI研究中采用EEG信號的種類（1）P300P300是一種事件相關(guān)電位，其峰值大概出此刻事件發(fā)生后300毫秒，相關(guān)事件發(fā)生的概率越小，所惹起的P300越明顯。（2）視覺引起電位視覺器官碰到光或圖形刺激后，在大腦特定部位所記錄的EEG電位變化，稱之為

8、視覺引起電位（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)惹禍件相關(guān)去同步電位（ERD）,同側(cè)腦區(qū)產(chǎn)惹禍件相關(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，連續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒，實驗者經(jīng)過反響訓(xùn)練學(xué)習(xí)，能夠自主控制SCP幅度產(chǎn)生正向或負(fù)向偏移。（5）自覺腦電信號在不相同的意識狀態(tài)下，人們腦電中的不相同節(jié)律表現(xiàn)出各異的活動狀態(tài)。按照所在頻段的不相同分類，一般采用希臘字母（、）來表示不相同的自發(fā)EEG信號節(jié)律。比方節(jié)律在8-13Hz頻段，而節(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，擁有各自的特點和限制。P3

9、00和VEP都屬于引起電位，不需要進行訓(xùn)練，其信號檢測和辦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供應(yīng)刺激，而且依賴于人的某種知覺（如視覺）。其他幾類信號的優(yōu)點是能夠不依賴外面刺激即可產(chǎn)生，但需要大量的特別訓(xùn)練。BCI所使用的EEG信號信號名稱描述m波都是一種8-12Hz的自覺EEG，它與運動相關(guān)，在感覺運節(jié)律動皮層記錄幅度最大，幅度大小能夠經(jīng)過訓(xùn)練人為控制。事件相關(guān)同步/運動相關(guān)的頻率域加強或減弱，在運動皮層記錄幅度最大。受試去同步電位者能夠經(jīng)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（ERS/ERD）動，但實質(zhì)上沒有運動時也存在。*慢皮層電位EEG信號較大的正向或負(fù)向偏

10、移，時程在300毫秒至幾分鐘。受（SCP）試者能夠經(jīng)過訓(xùn)練產(chǎn)生這種偏移。引起電位的EEG信號的正向偏移，在刺激后300-400毫秒達到峰值。在中P300成分央頂葉地域能夠記錄到最大幅度，不需要訓(xùn)練。短時程視覺誘短時程視覺刺激所惹起的腦電變化，最大幅度出此刻枕區(qū)，不需發(fā)電位（VEP）要訓(xùn)練。穩(wěn)態(tài)視覺引起特定頻率段視覺刺激惹起的腦電變化，能夠經(jīng)過刺激調(diào)整腦電變電位(SSVEP)化幅度，進而達到控制外界的目的。2.3訓(xùn)練時到此刻日，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、辦理和分類EEG信號。但是，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

11、，BCI實驗中對受試者的訓(xùn)練也是值得關(guān)注的。如何對受試者進行訓(xùn)練呢？也就是說，我們用什么實驗方案？不相同的BCI系統(tǒng)采用不相同的實驗方案。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)大概連續(xù)幾分鐘，每個方案可能會連續(xù)半個小時到幾個小時。某些BCI系統(tǒng)基于事件引起電位的，如P300或VEP，其實不需要訓(xùn)練，受試者依照指示就能啟動實驗。平常，為了實驗?zāi)軌蝽樌犻_，在初次實驗前，對受試者都要進行訓(xùn)練，可是時間長短而已。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，用戶必定認(rèn)識如何自主調(diào)治自己的EEG信號幅度，*這時訓(xùn)練是必不可以少的，而且訓(xùn)練時間可能會很長；在基于模式識其

12、他BCI系統(tǒng)中，訓(xùn)練重視于獲得相應(yīng)的參數(shù)；在基于操作條件方法的BCI系統(tǒng)中，可能需要受試者屢次訓(xùn)練，可能長達數(shù)月才能達到預(yù)計的收效。Neuroscan腦電系統(tǒng)2.4反響大多數(shù)BCI系統(tǒng)是需要反響的，最常有的反響形式是光標(biāo)控制，受試者把光標(biāo)移到指定目標(biāo)地址，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)地址或相反地址為結(jié)束。當(dāng)碰到目標(biāo)地址，光標(biāo)會閃爍，說明成功；這種反響能夠加強受試者妄圖念操作光標(biāo)的信心。光標(biāo)控制供應(yīng)的反響是連續(xù)性反響，受試者能夠親眼看到自己意念驅(qū)動光標(biāo)在搬動，如方向不對能夠?qū)崟r調(diào)整。在BCI系統(tǒng)中，特別是基于操作條件的BCI系統(tǒng)中，反響是必要的，受

13、試者需要知道哪一種意念能夠搬動光標(biāo)朝哪個方向運動，反響既有好處也有負(fù)面影響。、好處：*（1）激勵連續(xù)性實驗的動力。看不到結(jié)果的實驗令人沮喪，不斷看到自己能妄圖念控制光標(biāo)朝目的地搬動無疑是一種巨大的激勵。（2）吸引受試者的注意力。不斷有進展，會使受試者倍感興趣，注意力不易分別。（3）供應(yīng)反響給信號辦理模塊，加強系統(tǒng)的牢固性和正確性。、負(fù)面影響（1）反響可能會惹起意念“不純”。反響會使受試者會產(chǎn)生實驗以外的意念，進而使收集的EEG信號其實不可是反響實驗的內(nèi)容。（2）反響的結(jié)果會對受試者EEG信號有影響。如光標(biāo)搬動中，正確的移動會使受試者加快搬動速度；錯誤的搬動會使受試者沮喪，兩者都會對EEG信號產(chǎn)

14、生影響。（3）視覺刺激反響可能會影響?節(jié)律。Scan收集解析軟件2.5算法BCI的算法是指在信號辦理階段，能夠?qū)CI輸入的信號轉(zhuǎn)變成對實質(zhì)裝*置進行控制的命令的一系列信號辦理算法，也就是說，這些算法能夠從當(dāng)前使用者的腦電信號獲得抽象的特點向量，并將這些向量轉(zhuǎn)變成決定設(shè)備控制的命令。一般來講，這些特點量是包括在特定的頻率段內(nèi)，若是某一特點量代表的思想狀態(tài)過多，交織過大，使用這一特點量就很難區(qū)分不相同思想狀態(tài)；反之，若是某一特點量能夠嚴(yán)格區(qū)分不相同思想狀態(tài)，使用這一特點量就能擁有很好的功能?？傊瑹o論采用哪一種算法，都以實現(xiàn)最優(yōu)的性能及優(yōu)異的合用性為目的。下面簡單介紹幾種在信號辦理階段實質(zhì)用到的

15、算法：（1）獨立重量解析（ICA）在腦機接口解析中的應(yīng)用ICA方法可從腦電信號中分別出各種不相同的獨立重量。在進行預(yù)辦理此后，能夠既而經(jīng)過設(shè)計實驗，如進行鼠標(biāo)搬動、手的想象搬動、開燈等，對腦電信號進行特點解析和提取，提取進行這些實驗時的腦電信號特點，從中發(fā)現(xiàn)與之相對應(yīng)的牢固的思想腦電獨立重量模式，進而用于BCI信號的分類。（2）小波變換對信號進行小波分解，解析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響信號主要特點的頻帶設(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點的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（GeneticAlgorithm，G

16、A）用遺傳算法對特點信號進行分類時，要從檢測到的腦電信號中抽提出大量的特點信號，爾后經(jīng)過遺傳算法去除偽特點信號，保留適用的特點信號作為驅(qū)動信號。這種算法的特點是要對特點信號進行大量的解析運算，從中找到各種特點*參數(shù)，爾后從中挑取最優(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、線性鑒識分析等，在此就不一一闡述。三、研究現(xiàn)狀正式研究BCI的時間到此刻不足20年，當(dāng)前絕大多數(shù)BCI研究處于實驗室研究階段，還沒有大規(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年立刻召開的第三屆BCI國際會議，為BCI的發(fā)展推波助浪。下面是一些國際上BCI研

17、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，受試者能夠控制光標(biāo)的搬動。2、美國Wadsworth中心Wolpaw等人訓(xùn)練受試者自由調(diào)治自己?節(jié)律，并經(jīng)過?節(jié)律的變化來實現(xiàn)光標(biāo)搬動、字母拼寫和假肢控制等功能。由于靈便控制自己?節(jié)律變化比較困難，因此其實不是每個受試者都能學(xué)會使用這套裝置。3、德國Tbingen大學(xué)Birbaumer等人設(shè)計了一個名為思想翻譯器（ThoughtTranslationDevice，TTD）的裝置，經(jīng)過慢皮層電位（SCP）的變化來實現(xiàn)對外界的控制，使用視覺反響，

18、實現(xiàn)了字母拼寫等功能。、美國伊利若斯大學(xué)Farwell和Donchin采用P300引起電位作為BCI信號輸入。在計算機顯示屏上顯示一個6?6包括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響，測量P300幅值。對包括特定字母的行和列的反響幅度最大，依照這個特點就可以從P300引起電位中“找到”特定字母。5、美國Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所Sutter等人設(shè)計的腦反響接口以對視覺刺激反響中所產(chǎn)生的視覺引起電位（VEP）作為BCI信號輸入，經(jīng)過引起電位選擇計算機顯示屏上某一特定部分，進而能夠?qū)崿F(xiàn)選擇的功能。、我國

19、清華大學(xué)高上凱等人深入解析了穩(wěn)態(tài)視覺引起電位（SSVEP）的特點和提取方法，設(shè)計了擁有高傳輸速率的基于穩(wěn)態(tài)視覺引起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。不相同BCI間的比較選項速度（比特系統(tǒng)訓(xùn)練時間錯誤率連續(xù)性用戶滿意度個數(shù)每分鐘）奧地利Graz理工大2-2.5小時2N/A11%N/AN/A學(xué)美國Wadsworth幾個小時22010%N/AN/A中心德國Tbingen大幾個月27210-30%不好間接厭煩學(xué)*美國伊利若斯大學(xué)幾分鐘3645%很好N/A美國Smith-Kettlewell10-60分鐘643010%很好還行視覺科學(xué)研究所其中速

20、度值為平均速度，N/A表示沒有數(shù)據(jù)報道或沒有談?wù)摗Ｋ?、存在的問題BCI既是一門新興的研究領(lǐng)域,作為一門交織學(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)、信號辦理、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，當(dāng)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，對于一些實質(zhì)應(yīng)用還太慢。2、牢固性不高。系統(tǒng)牢固性隨研究方法、受試者和控制系統(tǒng)不相同變化較大；缺乏自適應(yīng)能力。3、缺乏一致標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前還沒有一致的BCI基礎(chǔ)理論框架，兼容性較差。4、合用性不強。當(dāng)前的BCI系統(tǒng)大多都是在特定的實驗室環(huán)境下設(shè)計，真正在平常生活環(huán)境下的應(yīng)用極少；

21、BCI裝置的制作花銷一般都很昂貴；這些都使得BCI系統(tǒng)的實質(zhì)應(yīng)用碰到限制。5、采樣信號缺乏詳盡意義。很難把腦電信號種類與心理意識活動直接聯(lián)系起來。6、沒有一致信號辦理方法。信號辦理方法是當(dāng)前BCI研究的重點,由于百家爭鳴也造成當(dāng)前研究方法的多樣性，特點提取方法和分類方法沒有一致的標(biāo)*準(zhǔn)，沒有任何一種信號辦理方法能夠為所有BCI研究者所采用。、反響的必要性。要不要反響？如何反響？當(dāng)前仍有爭議。一方面，反響提高了系統(tǒng)的正確性和牢固性,同時，另一方面，反響也給整個系統(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。、訓(xùn)練的必要性。當(dāng)前對要不要訓(xùn)練及采用何種訓(xùn)練還有不相同見解.有

22、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己腦電變化的技巧，需要耗費大量的時間和精力，簡單產(chǎn)生疲備和厭煩。9、難以連續(xù)性工作。當(dāng)前大多數(shù)BCI系統(tǒng)都可是在特定范圍內(nèi)工作，系統(tǒng)的連續(xù)工作能力碰到了限制，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。由于每一個人的思想方式、行為習(xí)慣等都不完全相同，需要針對每一類人設(shè)計不相同的實驗參數(shù)和訓(xùn)練方法。即即是同一個人,由于他（她）的注意力、身體狀況、心理狀況、情緒態(tài)度、操作合用性、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裝置可能無法連續(xù)使用。五、應(yīng)用遠(yuǎn)景由于BCI系統(tǒng)能夠不依賴于外面肌肉和神經(jīng)就可以實現(xiàn)人機交互，因此有著極為廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。當(dāng)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)以及供應(yīng)新式的娛樂方式。5.1在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，BCI能夠幫助肢體阻擋患者提高他們的生活質(zhì)量。1、實現(xiàn)簡單的通信。經(jīng)過BCI能夠使用電腦閱讀網(wǎng)頁、撥打電話和