武警工程大學(xué) 李方博 劉方毅

腦機(jī)接口研究概述

武警工程大學(xué) 李方博 劉方毅

腦機(jī)接口(BCI)是在人腦和外界之間建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的一種通訊系統(tǒng),概述了BCI技術(shù)的基本原理、研究方法、類型和研究現(xiàn)狀,并分析了存在的問題與應(yīng)用前景.

腦機(jī)接口;腦電圖;生物醫(yī)學(xué)信號(hào);數(shù)字信號(hào)處理

1 緒論

腦-機(jī)接口(brain computer interface,BCI)腦是在人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立直接的交流和控制的通道.

BCI建立的人腦與外部計(jì)算交流控制的通道不依賴正常的由外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通信系統(tǒng),控制信號(hào)直接來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)并被轉(zhuǎn)化為外部的控制信號(hào),是一種全新的交流和控制方式[1].

BCI誕生之初就引起了人們極大的關(guān)注度,許多研究者對(duì)此技術(shù)展開了合理的科學(xué)幻想,但受制與當(dāng)時(shí)的信息技術(shù)水平,直到近20年得益于信息技術(shù)、神經(jīng)工程等學(xué)科的發(fā)展,各類BCI研究才有了較為豐碩的成果.

1.1 研究背景和意義

為神經(jīng)肌肉疾病、中風(fēng)或外傷造成嚴(yán)重殘疾的患者提供基本生活保障的目標(biāo)一直是BCI研發(fā)的主要?jiǎng)恿?得益于醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展,很多疾病造成的嚴(yán)重神經(jīng)、肌肉受損的患者也可以存活很久,這些患者對(duì)于交流、移動(dòng)性、自主神經(jīng)功能的修復(fù)或者替代具有常人難以理解的渴望、迫切需要類似BCI的技術(shù)來提高生活品質(zhì).

對(duì)于健康的人群,BCI娛樂系統(tǒng)可以帶來前所未有的感官體驗(yàn);對(duì)于學(xué)生,BCI系統(tǒng)可以幫助其提高注意力或許有助于提升學(xué)習(xí)效果;對(duì)于某些特種行業(yè),BCI為其提供更多的控制手段.因此,目前BCI的不斷深入研究仍具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義.

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1924年德國(guó)耶那大學(xué)精神病學(xué)教授Hans Berger發(fā)現(xiàn)了人類大腦產(chǎn)生的電信號(hào)可以從頭皮記錄.20世紀(jì)70年代起,研究員就開始了對(duì)BCI的持續(xù)研究,直到近20多年,人類對(duì)于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)的深入了解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念等多學(xué)科的發(fā)展和交叉理解,使人們更容易實(shí)現(xiàn)BCI系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì),才有了該領(lǐng)域的飛速發(fā)展和大量新的研究機(jī)構(gòu)的加入.

1.2.1 BCI國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在BCI領(lǐng)域具有較為全面的研究,涉及多種不同類別的BCI,也取得了公認(rèn)的研成果.國(guó)內(nèi)BCI研究的主要資金來源是政府, 供資實(shí)體包括科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、高技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃等[2].

2）更加完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)、門禁授權(quán)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)等智能控制模塊的互聯(lián)，系統(tǒng)部署安全可控、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的開放共享實(shí)驗(yàn)室。

清華大學(xué)的高上凱等人在基于非入侵式的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP)的BCI系統(tǒng)研究上達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的地位.2015年,清華大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所、加州大學(xué)合作,在《PNAS》發(fā)表重要研究,他們成功實(shí)現(xiàn)了基于非入侵式的SSVEP腦機(jī)接口系統(tǒng),達(dá)到了迄今為止最快的信息傳遞率.

浙江大學(xué)在腦控小鼠研究上取得先進(jìn)水平,使用BCI系統(tǒng)的人可以通過無線控制攜帶侵入式腦電極包的小鼠走迷宮.

華南理工大學(xué)在多模態(tài)的腦機(jī)接口方面取得不俗進(jìn)展,利用P300事件相關(guān)電位、SSVEP、慢皮層電位(Slow Cortical Potentials,SCP),感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律(Sensorimotor rhythms,SMR)等信號(hào)設(shè)計(jì)的串聯(lián)或者并聯(lián)BCI在實(shí)用化取得豐碩成果.設(shè)計(jì)出利用P300事件相關(guān)電位成公檢測(cè)出植物人殘存意思的BCI.

1.2.2 BCI國(guó)際現(xiàn)狀

從外文文獻(xiàn)檢索brain computer interface相關(guān)文獻(xiàn),2000年前論文數(shù)量?jī)H有個(gè)位數(shù),2003年前不到百篇,之后到2016年年均388篇,2011年達(dá)到歷史最高的732篇.

2006年世界技術(shù)評(píng)估中心在世界范圍內(nèi)對(duì)BCI相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查發(fā)現(xiàn),侵入式BCI系統(tǒng)幾乎全部集中在北美,非侵入式主要來在歐洲和亞洲.我國(guó)幾乎全是非侵入式的BCI研究.

2 BCI系統(tǒng)的構(gòu)成

為了達(dá)到在人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道的目的,BCI系統(tǒng)主要由三大模塊組成:信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、控制器模塊.

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊是指用來采集大腦中能夠準(zhǔn)確反映意識(shí)、思維的信號(hào)的設(shè)備,根據(jù)人體生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的分類,大腦常見信號(hào)有腦活動(dòng)產(chǎn)生的電、磁信號(hào)、腦活動(dòng)代謝信號(hào).

電、磁信號(hào)具有時(shí)間和空間分辨率高的特點(diǎn),相比于腦磁圖(Magnetoencephalography,MEG)的設(shè)備成本高、笨重、易受干擾的特點(diǎn),常用腦電圖(EEG)來獲取腦活動(dòng)信息.在反映腦代謝信號(hào)中,功能性紅外光譜成像和功能磁共振成像可用于BCI系統(tǒng).

以上不同腦信號(hào)獲取方式可以獲得微觀、中微觀、宏觀層面的腦信號(hào),各有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn).

2.2 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊是將采集到的腦信號(hào)進(jìn)行處理以得到能夠反映不同思維活動(dòng)的信息,是實(shí)現(xiàn)BCI系統(tǒng)的核心部分,信號(hào)處理涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號(hào)的建模與仿真等相關(guān)理論,具有較高難度,是BIC研究的一個(gè)關(guān)注點(diǎn).

針對(duì)不同BCI使用的腦信號(hào),其處理方法有以下種類:經(jīng)典數(shù)信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理[3].

2.2.1 經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理

在短時(shí)間內(nèi)、特定環(huán)境下可以假設(shè)腦信號(hào)是線性平穩(wěn)的,于是能用經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理的理論來研究腦信號(hào),其方法包括并不限于Z變換、離散傅里葉變換(DFT)、快速傅里葉變換(FFT)、無限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器、有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器、信號(hào)采樣.

2.2.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理

此類方法是從統(tǒng)計(jì)、估計(jì)的角度研究近似平穩(wěn)隨機(jī)的腦信號(hào),包括對(duì)腦信號(hào)的描述、自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)、經(jīng)典功率譜估計(jì)、現(xiàn)代功率譜估計(jì)、維納濾波、自適應(yīng)濾波.

2.2.3 現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理

現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理主要針對(duì)非平穩(wěn)和非線性的信號(hào)處理,由于變換把時(shí)間與頻率聯(lián)系到一起,但是其對(duì)時(shí)間和頻率的分辨率不能同時(shí)提高,但是BCI研究者非常希望能夠得到同時(shí)具有高時(shí)間、高頻率分辨率的信號(hào),基于以上,發(fā)展出了時(shí)頻聯(lián)合分析、濾波組、小波變換等現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理理論.

2.3 控制器模塊

控制器是將反映大腦思維意識(shí)的信號(hào)用來控制外部特定設(shè)施,實(shí)現(xiàn)使用者目的的模塊.控制器模塊是BCI系統(tǒng)里非常有特色的部分,早期BCI的使用人群主要是患有嚴(yán)重神經(jīng)肌肉疾病的患者,設(shè)計(jì)符合患者需求的控制器模塊具有不同于常規(guī)的設(shè)計(jì)要求,需要充分調(diào)查研究患者的需求,不能以自己的需求代替患者的需求.

3 現(xiàn)有腦機(jī)接口

現(xiàn)有腦機(jī)接口大多以腦電信號(hào)為基礎(chǔ),根據(jù)腦電信號(hào)的成因可分為自發(fā)性腦電信號(hào)/誘發(fā)性腦電信號(hào).

常見腦電信號(hào)分類:

慢變皮層電位(SCP):慢變皮層電位(Slow Cortical Potential,SCP)反映的是頭皮腦電中的低頻部分產(chǎn)生的緩慢的電壓變化,持續(xù)時(shí)間為幾百毫秒到幾秒,能反映皮層興奮性,與運(yùn)動(dòng)和皮層激活有關(guān),具有較大正負(fù)電位差異,負(fù)向的慢皮層電位與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的皮層活動(dòng)有關(guān),而正向的慢皮層電位與皮層興奮程度的下降有關(guān).

事件相關(guān)P300:P300是指潛伏期為300ms左右、呈正向峰值的事件相關(guān)電位.可在Oddball試驗(yàn)?zāi)Ｊ较鲁霈F(xiàn),即對(duì)同一感覺通路提供一系列刺激,刺激分為兩種,一種刺激出現(xiàn)的概率很大如85%;另一種刺激出現(xiàn)的概率很小如15%.兩種刺激出現(xiàn)的順序是隨機(jī)的.對(duì)受試者來說偏差刺激具有偶然性,P300是一種內(nèi)源性誘發(fā)電位,反映了特定的腦認(rèn)知信息.

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP): 視覺誘發(fā)電位(VEP)是指神經(jīng)系統(tǒng)接受視覺刺激所產(chǎn)生的特定電活動(dòng),屬于外源性誘發(fā)響應(yīng).VEP在某種程度上反映了腦的視覺信息處理中的電生理機(jī)制,不同模式的視覺刺激所產(chǎn)生的腦電模式也不同.根據(jù)刺激頻率的高低,可以將VEP分為瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位(Transient Visual Evoked Potential,TVEP)和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady State Visual Evoked Potential,SSVEP).目前研究比較多且相對(duì)簡(jiǎn)單和成熟的還是穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位

基于運(yùn)動(dòng)想象的事件相關(guān)去同步/事件相關(guān)同步(ERD/ERS):大腦功能之一是參與運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃和運(yùn)動(dòng)的控制,由于α、β頻譜顯示出與運(yùn)動(dòng)行為密切相關(guān)的事件相關(guān)去同步化/同步化(Event Related Desynchroniza-tion/Synchronization,ERD/ERS)現(xiàn)象,吸引了許多腦運(yùn)動(dòng)功能研究者的關(guān)注.

4 結(jié)語

文中主要列舉了BCI的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理,雖然BCI的研究成果相對(duì)較少,但是其巨大的應(yīng)用前景吸引無數(shù)研究者不斷深入,目前已有一些突破性的進(jìn)展令人欣慰.

[1]洪杰.腦-機(jī)接口技術(shù)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2014.

[2]歐陽紹連.中國(guó)腦機(jī)接口研究現(xiàn)狀及其在國(guó)際中地位[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2010.

[3]胡廣書.生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理研究綜述[J].Journal of Acquisition and Processing Vol.30,No.5 Sep.2015,pp915-932.