腦機接口概述課件

腦-機接口概述腦-機接口概述研究背景2肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥腦中風腦或脊髓損傷腦癱其他疾病研究背景2肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥腦-機接口的定義腦機接口（英語：brain-computerinterface，簡稱BCI；有時也稱作directneuralinterface或者brain-machineinterface），是在人或動物腦與外部設(shè)備間創(chuàng)建的直接連接通路。不依賴于腦的正常輸出通路(外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織)的腦-機(計算機或其它裝置)通訊系統(tǒng)。3腦-機接口的定義腦機接口（英語：brain-computer第一章緒論----研究背景4第一章緒論----研究背景4BCI的基本構(gòu)成5信號采集信號預處理特征提取分類外部設(shè)備BCI的基本構(gòu)成5信號信號特征提取分類外部設(shè)備腦電記錄方法6功能核磁共振（fMRI）近紅外線成像（fNIR)腦磁圖(MEG）正電子發(fā)射斷層成像（PET）腦電圖（EEG）腦電記錄方法6功能核磁共振（fMRI）BCI分類基于視覺誘發(fā)電位的BCI基于P300信號的BCI基于皮層慢電位的BCI基于感知運動節(jié)律的BCI7BCI分類基于視覺誘發(fā)電位的BCI7基于視覺誘發(fā)電位的BCI研究表明，當受到一個固定頻率的視覺刺激的時候，人的大腦視覺皮層會產(chǎn)生一個連續(xù)的與刺激頻率有關(guān)(刺激頻率的基頻或倍頻處)的響應。這個響應被稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-StateVisualEvokedPotentials，SSVEP)，它可以可靠的應用于腦-機接口系統(tǒng)(BCIs)。8基于視覺誘發(fā)電位的BCI研究表明，當受到一個固定頻率的視覺刺目前使用較多的是ssVEP，典型的研究機構(gòu)有美國wrightPatterson空軍基地和清華大學。wrightPatterson空軍基地的McMillan和Calhoun對SSVEP進行了研究，并利用SSVEP實現(xiàn)了對飛行模擬器的控制。國內(nèi)清華大學在VEP這方面取得了一定的成績，開發(fā)了基于ssVEP的BCI系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過腦電信號控制空調(diào)和電視，甚至啟動語音播放器和撥打電話等；他們又利用VEP成功開發(fā)出一套“腦控電話撥號系統(tǒng)”。國內(nèi)重慶大學何慶華等人一。設(shè)計了基于同頻次復合刺激方式的腦機接口系統(tǒng)。9目前使用較多的是ssVEP，典型的研究機構(gòu)有美國wright清華大學腦機接口用“思維”來控制電器開關(guān)和物體移動，這種科幻電影里面的景象如今被我國科學家通過“腦機接口技術(shù)”變成了現(xiàn)實?，F(xiàn)在做的測試是用“思維”來撥打電話。測試者只需盯著鍵盤上某個按不同頻率在閃爍的數(shù)字，電腦就會自動把這個數(shù)字撥出來。10清華大學腦機接口用“思維”來控制電器開關(guān)和物體移動，這種科幻1111基于P300信號的BCIERP是人類受到某種外界刺激或進行特殊心理活動時，因腦神經(jīng)元活動而產(chǎn)生的特定EEG變化．P300一ERP是由小概率事件(視覺、聽覺、觸覺等形式)誘發(fā)的一種ERP，因?qū)谑录l(fā)生約300毫秒后EEG中的一個正電位波形而得名．基于P300電位的BCI利用特定的事件刺激序列，誘發(fā)使用者的P300電位，通過P300的發(fā)生時刻來判斷用戶的意識活動．這種類型的BCI特別適合從多個選項中選擇一個目標的操作12基于P300信號的BCIERP是人類受到某種外界刺激或進行特1313基于皮層慢電位的BCI皮層慢電位（SCP）是持續(xù)時間為幾百毫秒到幾秒的皮層電位變化，是腦電信號中從300毫秒持續(xù)到幾秒鐘的大的負電位或正電位，能反映皮層I和II層的興奮性，被試通過反饋訓練學習，可以自主控制SCP幅度產(chǎn)生正向或負向偏移。健康人可以經(jīng)過訓練控制大腦中慢皮層電位的變化，平靜時為正向，進行某種心理活動時為負向，這被稱為慢皮層電位的自調(diào)整。14基于皮層慢電位的BCI皮層慢電位（SCP）是持續(xù)時間為幾百毫基于感知運動節(jié)律的BCI運動感知節(jié)律由

和

節(jié)律組成，它們是腦活動位于

頻帶（7-13赫茲），

頻帶（13-30赫茲）的波動。大腦的活動和運動任務相關(guān)的時候，感覺運動節(jié)律會發(fā)生改變，更為重要的是，僅僅是進行運動想象也會反應在感覺運動節(jié)律的變化當中。15基于感知運動節(jié)律的BCI運動感知節(jié)律由和節(jié)律事件相關(guān)去同步/同步當執(zhí)行或僅僅是想象運動時，通常會伴隨著特定頻率帶能量的降低，這種現(xiàn)象被命名為事件相關(guān)去同步（Event-relateddesynchronization，ERD）；相反的，運動之后能量的增加則意味著事件相關(guān)同步（Event-relatedsynchronization，ERS）現(xiàn)象的發(fā)生。16事件相關(guān)去同步/同步當執(zhí)行或僅僅是想象運動時，通常會伴隨著特17171818191920202121ThedatashowthathandmotorimageryinducedinasignificantmuERDinallsubjects,whereasfootand/ortonguemotorimageryrevealedasignificantERSinanumberofsubjectsonly.Themostreactivefrequencycomponentsvariedbetween9and14Hzandarefoundatallcentralelectrodepositionsandmotortasks.22Thedatashowthathandmotor目前比較著名的基于運動想象的BCI研究有WadsworthBCI,BerlinBCI,GrazBCI等23目前比較著名的基于運動想象的BCI研究有Wadsworth幾個比較著名的腦-機接口奧地利Graz理工大學Pfurtscheller等人采用事件相關(guān)同步/去同步電位作為BCI信號輸入。在這套系統(tǒng)中，受試者可以控制光標的移動。視頻24幾個比較著名的腦-機接口奧地利Graz理工大學24美國Wadsworth中心Wolpaw等人訓練受試者自由調(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會使用這套裝置。25美國Wadsworth中心25德國Tübingen大學Birbaumer等人設(shè)計了一個名為思想翻譯器（ThoughtTranslationDevice，TTD）的裝置，通過慢皮層電位的變化來實現(xiàn)對外界的控制，使用視覺反饋，實現(xiàn)了字母拼寫等功能。26德國Tübingen大學26美國伊利若斯大學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，測量P300幅值。對包含特定字母的行和列的反應幅度最大，根據(jù)這個特性就可以從P300誘發(fā)電位中“找到”特定字母。27美國伊利若斯大學27美國Smith-Kettlewell視覺科學研究所Sutter等人設(shè)計的腦反應接口以對視覺刺激反應中所產(chǎn)生的視覺誘發(fā)電位作為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。28美國Smith-Kettlewell視覺科學研究所28我國清華大學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。29我國清華大學293030腦機接口面臨的問題與挑戰(zhàn)目前提出的方法很多，但是不是所有的方法都能在實際的系統(tǒng)中應用，因為真正實用的系統(tǒng)必須能實現(xiàn)實時的在線處理，還要解決個體參數(shù)優(yōu)化、“腦”與“機”交互適應、“休閑狀態(tài)”。31腦機接口面臨的問題與挑戰(zhàn)目前提出的方法很多，但是不是所有的方腦電信息的解析信號的實時在線處理個體參數(shù)優(yōu)化的問題腦-機交互適應學習的問題異步的BCI系統(tǒng)工作模式32腦電信息的解析信號的實