摘 要：腦-機接口是一種涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的新穎的人機接口方式，在醫(yī)療、航空、軍事、生活娛樂等多個領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。文章簡要介紹了腦-機接口的分類，并根據(jù)BCI利用的腦電信號的來源和利用的方式不同對視覺誘發(fā)電位、P300以及運動想象技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了闡述。

關(guān)鍵詞：腦-機接口；BCI；SSVEP；P300 運動想象

1 概述

腦-機接口（Brain Computer Interface，BCI）是近年出現(xiàn)的涉及眾多學(xué)科、知識領(lǐng)域的人機接口方式，二十世紀九十年代年提出了腦-機接口的概念[1]：腦-機接口是一種在大腦和外部設(shè)備間建立的傳遞信息的通路。腦-機接口通過采集與提取大腦產(chǎn)生的腦電信號來識別人的思想，據(jù)此生成控制信號來完成大腦與外部設(shè)備進行信息傳遞與控制的目的。一個標(biāo)準(zhǔn)的腦-機接口系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速地采集、識別出人腦在各種思想活動下的腦電信號。

根據(jù)腦-機接口的應(yīng)用種類不同，腦-機接口的系統(tǒng)構(gòu)成有所不同，但總體上一個標(biāo)準(zhǔn)的腦-機接口系統(tǒng)一般由四個部分組成，即信號采集、預(yù)處理及特征提取、模式識別、控制命令輸出[2]。

2 腦-機接口系統(tǒng)的分類

2.1 非植入式和植入式

腦-機接口根據(jù)采集腦電信號的方式可分為非植入式系統(tǒng)和植入式系統(tǒng)。非植入式（EEG）是不打開腦部將電極放在頭皮表面，采集腦電信號，植入式（ECoG）是打開頭部將芯片植入腦內(nèi)采集腦電信號，這種采集到的腦電信號為皮層腦電信號。相比較于EEG，ECoG采集的信號的優(yōu)點是信號幅度寬，能避免信號干擾，容易識別和利用；缺點是需要做手術(shù)打開頭部放入電極，有一定的危險性，但隨著各方面技術(shù)的逐漸成熟，ECoG必然廣泛應(yīng)用。

2.2 誘發(fā)腦電BCI和自發(fā)腦電BCI

根據(jù)受試者腦電信號產(chǎn)生原因可將腦-機接口分為誘發(fā)腦電BCI和自發(fā)腦電BCI，誘發(fā)腦電指被測對象接收到外界刺激后生成的反射誘發(fā)的腦電波信號。視覺誘發(fā)電位（visual evoked potentials，VEP）通過被測對象眼神關(guān)注傾向其中的一個列表，使人眼神關(guān)注各個列表時生成差異的腦電波信號。誘發(fā)腦電BCI的缺陷是需提供同步刺激給被測對象，好處為被測對象無需長久的練習(xí)。自發(fā)腦電BCI是被測對象通過自我調(diào)節(jié)誘發(fā)的腦電波信號。自發(fā)腦電信號由被測對象自己生成，很隨意，容易控制，但被測對象要經(jīng)過特殊的練習(xí)，才能產(chǎn)生強烈的腦電波信號，例如想象四肢運動等。

2.3 同步BCI和異步BCI

同步BCI系統(tǒng)是要求被測對象在某個一定的時間內(nèi)進行的思想過程，思想過程所產(chǎn)生的腦電波信號在特定的時間內(nèi)產(chǎn)生，通過集中分析處理特定的腦電波信號，以利于數(shù)據(jù)處理過程的簡化。異步BCI是被測對象則可以在任意時刻進行特定的思想過程，這樣與實際中人腦對外部設(shè)備的操控模式更加相似。然而異步BCI難于操控，由于異步BCI要求系統(tǒng)可以隨時無誤確定被測對象思想過程的開始和以及轉(zhuǎn)折點，被測對象的腦電波信號必須一直被監(jiān)控。當(dāng)然，異步BCI的開發(fā)比同步BCI系統(tǒng)要困難。因此，大多數(shù)的BCI研究機構(gòu)還在主要研究同步式BCI，也有少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)異步BCI系統(tǒng)，然而異步BCI系統(tǒng)在開發(fā)應(yīng)用方面還有很多問題需要繼續(xù)研究和探討。

2.4 依賴式BCI和獨立式BCI

依賴型式BCI是通過檢測腦輸出通路中周邊神經(jīng)和肌肉部分所包含的腦電波信號，而不采集此正常的腦輸出通路來攜帶信息，將采集到的腦電信號進行識別后直接轉(zhuǎn)換成控制裝置的指令。依賴型BCI主要依靠自發(fā)腦電波alpha波、視覺誘發(fā)電位等，它和傳統(tǒng)的信息交流渠道有很多類似的地方，但在實用性方面卻有很強的操作性。獨立型BCI是通過思維活動直接可以與外界進行信息交換與設(shè)備控制，而不是利用腦輸出通路產(chǎn)生的特定腦電信號和信息，例如利用事件相關(guān)的電位P300、自發(fā)mu節(jié)律以及ERS/ERD信號等的BCI就屬于獨立型BCI。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 視覺誘發(fā)電位（VEP）

視覺誘發(fā)電位（VEP）可分為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）和瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位（TVEP）。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位有較強的抗干擾能力，不易受到其它噪聲干擾，由于得到的信噪比符合理想值，在腦機接口開發(fā)中穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的開發(fā)非常廣泛，其信息獲得比率和正確識別比率都有一定的提升，而腦機接口研究中瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位的開發(fā)則稍微少一些。

清華大學(xué)研腦機接口研究小組是國內(nèi)腦機接口領(lǐng)域做出貢獻比較大的研究機構(gòu)，該研究小組多次獲得國際腦機接口比賽一等獎，在穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位方面的研究較為深入，在2002年還成功開發(fā)了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的實時電話撥號系統(tǒng)，提高了傳輸率和正確率。國外領(lǐng)先的研究機構(gòu)有美國的Wright空軍基地，Wright空軍基地的研發(fā)小組應(yīng)用穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)對飛行模擬器實現(xiàn)了控制。

3.2 P300電位

P300電位是一種與事件相關(guān)的特殊電位事件相關(guān)電位，是內(nèi)源性的具有認知功能的誘發(fā)電位，測試的過程主要監(jiān)測受試者心里因素等指標(biāo)。同腦誘發(fā)電位EP相比較，事件相關(guān)電位ERP所獲得的誘發(fā)電位是被測對象需要主動參與得到的。

浙江大學(xué)求是高等研究院在腦機接口方面開發(fā)了一套基于P300電位的中文輸入系統(tǒng)，為使用漢語作為語言的癱瘓患者的人機交互開發(fā)了新的控制方式。美國紐約州立大學(xué)的研究者設(shè)計了一套可以實用的P300字符輸入系統(tǒng)，使患者可以通過腦電來操作計算機。萊波薩門等利用P300電位實現(xiàn)了在熟悉的環(huán)境下利用腦電波來控制智能輪椅。該控制方法在一個熟悉的環(huán)境先制定相關(guān)路線，然后把規(guī)劃好的標(biāo)記位置以圖標(biāo)方式在電腦上顯示，被測對象就可通過誘發(fā)相關(guān)事件的P300電位選擇想要去的路線中的地某個地方，操作完成后，根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的路徑智能輪椅將自動到想要去的地方。

3.3 運動想象

運動想象（Motor Imagery，MI），是指運動活動在內(nèi)心反復(fù)地模擬、排練，而不伴有明顯的身體活動[3]。相關(guān)研究表明，運動想象所激發(fā)的大腦感覺運動皮層區(qū)域與實際進行肢體運動時所激發(fā)的大腦感覺運動皮層區(qū)域相同[4]。最先研究基于運動想象的腦-機接口技術(shù)的是Pfurtscheller等人。

浙江大學(xué)腦機接口研究小組注重運動想象類的腦機接口，通過二類運動想象對想象左右手運動產(chǎn)生的腦電信號進行開發(fā)。重慶大學(xué)研究小組通過二類運動想象以想象左手右手運動采集腦電信號，開發(fā)出了基于左右手運動想象的腦-機接口在線系統(tǒng)。德國柏林工業(yè)大學(xué)主要研究基于運動相關(guān)的腦機接口，如利用運動前準(zhǔn)備的電位實現(xiàn)了腦電信號協(xié)助汽車的制動，他們還利用運動想象腦電信號實現(xiàn)了字符輸入系統(tǒng)Hex-o-spell。奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)將運動想象的腦機接口技術(shù)用于殘疾人康復(fù)，他們設(shè)計并實現(xiàn)的神經(jīng)假體可以幫助殘疾人完成伸、抓、握等基本動作，實現(xiàn)抓水杯喝水的過程。

4 結(jié)束語

腦-機接口的發(fā)展為殘疾人開創(chuàng)與外界進行信息交換和控制的全新方式，除了語言和動作的表達交流，我們還可以用腦電信號這種全新的方法來表達思想、指揮設(shè)備完成動作。目前，腦機接口還處于研究探索階段，只有少數(shù)的BCI進行了實際應(yīng)用，研究者都希望提高腦-機接口的可靠性與安全性，使其更好的為人類服務(wù)，腦-機接口技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療等研究領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用前景和使用價值，我們需要進一步探索與努力奮斗，使腦-機接口技術(shù)能發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

[1]高諾，魯守銀，張運楚，等.腦機接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用，2008（4）：16-19.

[2]官金安，林家瑞.腦-機接口技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2004，28（3）：157-164.

[3]賈子善.運動想象療法在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2004，19（11）：867-868.

[4]Pfurtscheller G ，Neuper C.Motor imaginary activates primary sensorimotor area in humans [J].Neuroseience Letters，1997，293（2）：65-68.

作者簡介：邢麗超，單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心電學(xué)部，職稱：助理研究員。