作者/丁玲、劉禎、盧志剛、方子穆、郭瓊，北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所

1.概述

近年來(lái)，隨著腦一機(jī)接口便攜化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，腦電信號(hào)可作為外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，代替人或動(dòng)物的肢體操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的精密控制；另一方面，人們還可以給動(dòng)物施加腦部刺激，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物的意圖控制。隨著基于視覺(jué)誘發(fā)電位、事件相關(guān)電位P300、自主控制扯節(jié)律、皮層慢電位、運(yùn)動(dòng)想象與思維等腦一機(jī)接口范式的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，腦一機(jī)接口技術(shù)作為一門新興的多學(xué)科交叉的前沿研究，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)、家居娛樂(lè)和軍事等領(lǐng)域。

2.BCI技術(shù)原理與基本構(gòu)成

第一次BCI國(guó)際會(huì)議給出的BCI的定義是：“腦—計(jì)算機(jī)接口(BCI)是一種不依賴于大腦外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)”。它通過(guò)采集和分析人的腦電信號(hào)，在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立起直接的交流和控制通道，從而可以不需語(yǔ)言或肢體動(dòng)作，直接通過(guò)控制腦電來(lái)表達(dá)意愿或操縱外界設(shè)備。BCI技術(shù)的出現(xiàn)使得用人腦信號(hào)直接控制外部設(shè)備的想法成為可能。要想實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口，必須有一種能夠可靠反映人腦不同狀態(tài)的信號(hào)，并且這種信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)(或短時(shí))被提取和分類。

BCI系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。反映大腦活動(dòng)的電生理信號(hào)由電極從頭皮或者大腦內(nèi)部獲取，經(jīng)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。特征提取裝置從該數(shù)字信號(hào)中提取出與使用者意圖相關(guān)的信號(hào)特征量，信號(hào)特征量經(jīng)由算法轉(zhuǎn)換變?yōu)榭刂泼顏?lái)控制外界裝置。反饋環(huán)節(jié)不僅能為使用者操作BCI系統(tǒng)提供指示，還能幫助使用者根據(jù)反饋信息來(lái)改變腦電信號(hào)，從而提高信息交流的精度和速度。

圖1 BCI結(jié)構(gòu)示意圖

3. BCI關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 輸入信號(hào)類型的選擇

從采集腦電信號(hào)的電極位置看，有植入式和非植入式兩種。植入式是通過(guò)頭皮將電極植入到特定的大腦皮層，直接獲取神經(jīng)元信號(hào)，因此是有創(chuàng)的。

圖2 控腦系統(tǒng)模型圖

非植入式BCI是一種無(wú)損傷的技術(shù)，它采用頭皮電極記錄大腦活動(dòng)產(chǎn)生的EEG信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)與外界的交流。由于它是無(wú)創(chuàng)的且記錄方便，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在非植入式中，依據(jù)信號(hào)的產(chǎn)生方式，又可分為誘發(fā)腦電信號(hào)和自發(fā)腦電信號(hào)。

圖3 腦控系統(tǒng)模型圖

3.1.1 誘發(fā)腦電信號(hào)

誘發(fā)腦電信號(hào)的BCI系統(tǒng)使用外在刺激誘發(fā)大腦皮層相應(yīng)部位的電活動(dòng)產(chǎn)生變化，并以其作為特征信號(hào)。目前BCI中使用的誘發(fā)腦電信號(hào)主要有視覺(jué)誘發(fā)電位和P300誘發(fā)電位。

■3.1.2 自發(fā)腦電信號(hào)

自發(fā)腦電是腦細(xì)胞的自發(fā)性電活動(dòng)，是人體在自然狀態(tài)下就可以記錄到的。目前BCI中使用的自發(fā)腦電信號(hào)主要有：皮層慢電位(Slow Cortical Potential，SCP)；μ節(jié)律和β節(jié)律；利用事件相關(guān)去同步/事件相關(guān)同步(ERD/ERS)。

3.2 信號(hào)處理分析方法

信號(hào)處理目標(biāo)是從所檢測(cè)的腦電數(shù)據(jù)中識(shí)別出使用者的操作意圖，提取能反映使用者主觀動(dòng)作意識(shí)的特征參數(shù)并通過(guò)適當(dāng)算法將之轉(zhuǎn)換為控制外部機(jī)電設(shè)備的執(zhí)行命令。它包括信號(hào)預(yù)處理、特征提取、特征分類等，其中特征提取和特征分類是BCI信號(hào)處理最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。方向的控制、康復(fù)機(jī)器人移動(dòng)方向控制等形式。連續(xù)輸出可以是聲音高低、光標(biāo)的連續(xù)移動(dòng)、波形的起伏、不斷變換顏色和大小的物體、某種游戲控制等，目前輸出信號(hào)形式多為離散輸出。

4. BCI技術(shù)在軍事領(lǐng)域的影響

3.2.1 信號(hào)的預(yù)處理

信號(hào)預(yù)處理目的是去除噪聲。良好的預(yù)處理算法在一定程度上可以去除偽差或噪聲以及與反映用戶控制意圖無(wú)關(guān)的EEG信號(hào)，從而提高信噪比。

目前常用的EEG預(yù)處理算法主要包括三類：①時(shí)間濾波器，如：低通濾波器，帶通濾波器等；②空間濾波器，如共同均值參考CAR(common average reference)，Laplacian參考；③空間一時(shí)間濾波器，如主分量分析(PCA)，獨(dú)立分量分析(ICA)。

通過(guò)預(yù)處理后得到的信號(hào)更有利于后面的特征提取環(huán)節(jié)和翻譯算法環(huán)節(jié)，最終提高整個(gè)BCI系統(tǒng)的傳輸帶寬。

3.2.2 信號(hào)的特征提取

特征提取是從經(jīng)過(guò)了預(yù)處理和數(shù)字化處理的EEG信號(hào)中提取出能反映使用者意圖的信號(hào)特征，目前提取信號(hào)特征的方法有如下幾種：①快速傅立葉變換(FFT)；②自回歸(AR)模型；③小波變換法；④獨(dú)立分量分析(ICA)。

3.2.3 特征分類方法

特征分類是腦電信號(hào)處理中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。分類算法可以是線性的和非線性的。線性分類算法只需很少的樣本就可獲得可靠的分類結(jié)果。而對(duì)于多特征或大數(shù)據(jù)量的分類，選用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型和支持向量機(jī)等非線性方法可能取得更好的效果。

幾種具有代表性的BCI特征信號(hào)分類方法如下：①線性判別式分析(LDA)；②貝葉斯(Bayesian)決策；③支持向量機(jī)（SVM）分類器；④人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)；⑤共同空間模式（CSP）。

3.3 信號(hào)的輸出

分類器的輸出即作為設(shè)備控制器的輸入，設(shè)備控制器的作用是將分好類的信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的動(dòng)作，輸出信號(hào)類型的選擇輸出信號(hào)也有各種形式，既可以是離散的也可以是連續(xù)的。離散輸出有圖標(biāo)選擇、正誤判斷、字符選擇、光標(biāo)移動(dòng)

4.1 發(fā)展領(lǐng)域

（1）腦機(jī)操控：打造可用人腦遠(yuǎn)程控制的“機(jī)器人軍團(tuán)”，這種“半智能”機(jī)器人的外形將與人類外形接近，它們擁有強(qiáng)健有力的機(jī)械“雙足”，可以在地形多變的各種戰(zhàn)地環(huán)境自由行走，并靈活跨越障礙。更重要的是，它們還將擁有高度的智能，能在人類士兵的思維遙控指揮下對(duì)外界變化迅速做出反應(yīng)。

（2）信息傳輸：研發(fā)基于BCI技術(shù)的意識(shí)頭盔，幫助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上用腦電波來(lái)進(jìn)行安全便捷的通訊交流。意識(shí)頭盔通過(guò)獲取士兵的腦電波，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，識(shí)別出需要傳輸?shù)男畔?，通過(guò)無(wú)線通信傳送給并肩戰(zhàn)斗的戰(zhàn)友。

（3）目標(biāo)識(shí)別：主要研究如何通過(guò)計(jì)算機(jī)解讀人的腦電波來(lái)提高目標(biāo)識(shí)別效率，實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)腦電信號(hào)檢測(cè)及結(jié)果分析可提高人類對(duì)物體認(rèn)知能力的魯棒性和快速性。

（4）多人協(xié)調(diào)決策：運(yùn)用BCI技術(shù)開(kāi)發(fā)“多人協(xié)同決策系統(tǒng)”，旨在利用群體的智慧和經(jīng)驗(yàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和威脅進(jìn)行科學(xué)判斷、快速?zèng)Q策。多人決策腦機(jī)系統(tǒng)可以有效地融合一組人員的大腦活動(dòng)，縮短決策時(shí)間，提高決策準(zhǔn)確率。

（5）疲勞檢測(cè)：此類設(shè)備主要用于實(shí)時(shí)分析士兵在戰(zhàn)場(chǎng)中的大腦精神狀態(tài)。為戰(zhàn)場(chǎng)指揮提供預(yù)警等輔助信息。近來(lái)，還發(fā)展出了腦電反向刺激源，設(shè)備產(chǎn)生電信號(hào)刺激士兵大腦神經(jīng)，解除其疲勞狀態(tài)。

4.2 軍事應(yīng)用前景

（1）人機(jī)結(jié)合武器裝備

BCI技術(shù)的進(jìn)步極大地提高了人們對(duì)于人機(jī)系統(tǒng)研究的熱情，研究成果將會(huì)提高武器裝備的性能。人們可以利用這種方法控制幾乎所有的武器系統(tǒng)．并且通過(guò)腦機(jī)技術(shù)利用人長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)所積累的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，以及人特有的直覺(jué)、靈感等，顯著提高武器系統(tǒng)的綜合智能化水平，達(dá)到人機(jī)系統(tǒng)高度智能化、協(xié)調(diào)化，打造 “智能化”的超級(jí)戰(zhàn)士。

（2）促進(jìn)發(fā)展新型認(rèn)知系統(tǒng)

隨著B(niǎo)CI技術(shù)的不斷發(fā)展．日益復(fù)雜的認(rèn)知系統(tǒng)將可能在未來(lái)實(shí)現(xiàn)。將來(lái)人們可以創(chuàng)造出“人造大腦”，具備復(fù)雜的認(rèn)知、推理、計(jì)算能力。如果應(yīng)用于軍用機(jī)器人上，將展現(xiàn)出非凡的作戰(zhàn)能力。

（3）閱讀參戰(zhàn)人員思想

BCI技術(shù)的發(fā)展有助于更好地了解與軍隊(duì)?wèi)?zhàn)備有關(guān)的行為、能力、意愿及精神壓力因素，以及不同文化背景下的行為動(dòng)機(jī)，未來(lái)更有可能開(kāi)發(fā)出閱讀并提取人的思想信息的技術(shù)。

（4）提高軍人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的作戰(zhàn)能力

BCI技術(shù)將有可能被用于提高士兵在應(yīng)激狀態(tài)下的信息處理能力與認(rèn)知能力，包括記憶力、注意力、智力和情緒等，使軍人處于最佳生理與認(rèn)知狀態(tài)。腦機(jī)技術(shù)可以進(jìn)行人員精神與思想狀態(tài)的分析，以減少軍人的精神心理疾患和應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生，增強(qiáng)軍事作業(yè)能力。

5.總結(jié)與展望

BCI技術(shù)作為一門新興的交叉性學(xué)科已取得迅速的發(fā)展，但實(shí)現(xiàn)基于腦控技術(shù)的機(jī)器人擬人控制仍舊面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，應(yīng)該完成多傳感器數(shù)據(jù)采集、融合，以及運(yùn)動(dòng)識(shí)別算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以提高腦電檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的綜合識(shí)別率；其次，進(jìn)一步完善生機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生機(jī)電一體化，在提高在線識(shí)別精度的同時(shí)，提高腦控技術(shù)的控制精度；最后，腦控系統(tǒng)是一種非常特殊的人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，如何實(shí)現(xiàn)它的智能化、便攜化、可穿戴設(shè)計(jì)等問(wèn)題，仍需要進(jìn)行深入的研究。

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