腦機接口系統(tǒng)介紹NeuroscanBCISystem

1、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

2、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)

3、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 EEGW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

4、量（如頻率變化、幅度變化 等）；特征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)。岳r:飾導(dǎo)可選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

5、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 EEG1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)

6、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EEGB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1020系統(tǒng)設(shè)定好電極位置的電極帽來提取 EEG"(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

7、極數(shù) 目，在提高EEGJ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言號特征變化相關(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)進一步分析處理。2.2 BCI研究中采用EEG言號的類型(1) P300P300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，

8、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*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(a、B、丫、6、8)來表示不 同的自發(fā)EEG信號節(jié)

9、律。比如a節(jié)律在8-13Hz頻段，而B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，不需要進行訓(xùn)練，具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言號信號名稱描述m節(jié)律m波都種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

10、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(SCPEEG言號較大的正向或負(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)電位的一EEG言號的正向偏移，在刺激后 300-400毫秒達(dá)到峰值。在中央P300成分頂葉區(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)整月反證一 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

11、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EEG1號。然而，EEGJ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， 對受試者都要進行訓(xùn)練，只是時間長短而已。訓(xùn)練的時

12、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言號幅度， 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。Neuroscan 腦電系統(tǒng)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

13、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，如萬向不對可以及時調(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?？床坏浇Y(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

14、 的意念，從而使采集的EEG1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言號有影響。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。Scan采集分析軟件2.5算法BCI的算法是指在信號處理階段，能夠?qū)?BCI輸入的信號轉(zhuǎn)化為對實際裝置進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

15、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。在進行預(yù)處理之后，可以繼而通過設(shè)計實驗，如進行鼠標(biāo)移動、手的想象移動、開燈等，對腦電信號進行特征分析和提取，提取進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，進而用于 BCI 信號的分類。（ 2）小波變換對信號進行小波分解，分析 EEG1號的分布特點，選擇EEG1

16、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言號，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

17、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

18、以并不是每個受試者都能學(xué)會使用這套裝置。3 、德國Tu bingen大學(xué)Birbaumer 等人設(shè)計了一個名為思想翻譯器（Thought TranslationDevice, 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P

19、300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)性用戶滿怠度奧地利Graz理工大 學(xué)2-2.5小時：N

20、/A<11%N/AN/A美國Wadsworth中心幾個小時22010%N/AN/A德國Tu bingen大學(xué)幾個月27210-30%不好間接反感美國伊利若斯大學(xué)幾分鐘3645%很好N/A美國Smith-Kettlewell視覺科學(xué)研究所10-60 分鐘 643010%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 2

21、0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

22、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

23、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)