腦機(jī)接口技術(shù)不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路，該技術(shù)建立了一種直接的信息交流和控制通道，為人腦和外界之間提供了一種全新的交互方式。下面小編給大家分享一些腦機(jī)接口技術(shù)論文，大家快來跟小編一起欣賞吧。

　　腦機(jī)接口技術(shù)論文篇一

　　腦機(jī)接口技術(shù)研究綜述

　　摘要：腦機(jī)接口技術(shù)(brain computer interface，BCI) 不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路，該技術(shù)建立了一種直接的信息交流和控制通道，為人腦和外界之間提供了一種全新的交互方式。簡(jiǎn)要介紹了BCI技術(shù)的定義和基本組成及發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)皮層慢電位、視覺誘發(fā)電位、眼動(dòng)產(chǎn)生的α波、P300電位和基于運(yùn)動(dòng)想象的μ節(jié)律及β波5種腦機(jī)接口技術(shù)的研究方向作了簡(jiǎn)要闡述，最后指出目前BCI研究面臨的挑戰(zhàn)及未來的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口技術(shù); 腦電信號(hào);信息處理

　　中圖分類號(hào)：TN914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10053824(2013)04000504

　　0引言

　　人類在不斷地探索了解大腦活動(dòng)的奧妙，尤其是腦電信號(hào)被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家試圖通過腦電信號(hào)了解大腦的活動(dòng)規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、人體解剖學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，出現(xiàn)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域――腦機(jī)接口技術(shù)[1]。BCI 的研究涉及的領(lǐng)域廣泛，主要涉及生物學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信工程、心理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科。作為一項(xiàng)跨學(xué)科的技術(shù)，BCI系統(tǒng)的研究與開發(fā)需要各行各業(yè)專業(yè)人員的配合，同時(shí)隨著BCI 技術(shù)研究的不斷深入，也必將推動(dòng)這些學(xué)科的融合與發(fā)展。

　　1腦機(jī)接口技術(shù)簡(jiǎn)介

　　1.1腦機(jī)接口技術(shù)的內(nèi)涵

　　早在1999年，BCI國(guó)際會(huì)議對(duì)BCI含義進(jìn)行了界定，即“腦機(jī)接口技術(shù)是一種不依賴于正常的由外周神經(jīng)和肌肉組成的輸出通路的通訊系統(tǒng)”[2]，它繞開了外周神經(jīng)和肌肉組織，直接為大腦提供一種新的信息交流和控制通路，為那些不能通過說話或肢體動(dòng)作來表達(dá)想法或操作設(shè)備的人提供一種與外界環(huán)境進(jìn)行交流和溝通的途徑。

　　1.2腦機(jī)接口技術(shù)的組成

　　腦機(jī)接口技術(shù)是通過信號(hào)采集設(shè)備從大腦皮層采集腦電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)換為可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，提取特征信號(hào)，再利用這些特征進(jìn)行模式識(shí)別，最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。一個(gè)典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要包含4個(gè)組成部分：信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分、控制設(shè)備部分和反饋環(huán)節(jié)[3]。其中，信號(hào)處理部分包括預(yù)處理、特征提取、特征分類3個(gè)環(huán)節(jié)。腦機(jī)接口的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　腦機(jī)接口技術(shù)信號(hào)處理結(jié)構(gòu)框圖1)信號(hào)采集部分。此部分負(fù)責(zé)通過相關(guān)設(shè)備采集大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)。目前，對(duì)腦電信號(hào)的采集主要有2種方法：侵入式和非侵入式。侵入式方法是將電極插入腦皮層下，該方法采集的大腦神經(jīng)元上的腦電信號(hào)具有較高的精度，而且噪聲較小。缺點(diǎn)是無法保證腦內(nèi)的電極長(zhǎng)時(shí)期地保持結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定，而且將電極植入腦皮層內(nèi)存在安全問題。非侵入式方法測(cè)量的是頭皮表面的腦電信號(hào)，通過將電極貼附在頭皮上，就可直接獲得人大腦活動(dòng)產(chǎn)生的腦電信號(hào)，易采集、無創(chuàng)性等特點(diǎn)使之成為 BCI 技術(shù)研究的主要方向。

　　2)信號(hào)處理部分。腦電信號(hào)的處理主要包括預(yù)處理、特征提取和特征分類3部分。預(yù)處理主要用于去除腦電信號(hào)中具有工頻的雜波、眼電、心電以及肌電等信號(hào)的偽跡。特征提取的主要作用是從腦電信號(hào)中提取出能夠反映受試者不同思維狀態(tài)的腦電特征，將其轉(zhuǎn)換為特征向量作為分類器的輸入。特征提取是腦電信號(hào)處理中十分重要的一步，提取出的特征的好壞將直接影響腦電信號(hào)的識(shí)別率。特征分類主要是尋找一個(gè)以特征向量為輸入的判別函數(shù)，并且該分類器能識(shí)別出不同的腦電信號(hào)。

　　3)控制設(shè)備部分?？刂圃O(shè)備主要是把經(jīng)過處理的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備的控制指令輸出，從而控制外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)與外界進(jìn)行交互的目的。

　　4)反饋環(huán)節(jié)。反饋主要是把外部設(shè)備的運(yùn)行情況等信息反饋給使用者，以便使用者能實(shí)時(shí)地調(diào)整自己的腦電信號(hào)。

　　2腦機(jī)接口技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　自20世紀(jì)70年代起，學(xué)者們就已經(jīng)開始了對(duì)BCI技術(shù)的研究。近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、認(rèn)知腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等技術(shù)的飛速發(fā)展，加之殘疾患者需求意識(shí)的不斷提高，越來越多的科學(xué)家和研究者對(duì)BCI技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣。隨著BCI技術(shù)研究的不斷發(fā)展，研究機(jī)構(gòu)也在不斷增多，國(guó)際一些著名的BCI研究小組組織了BCI競(jìng)賽，進(jìn)一步促進(jìn)了BCI的研究以及各國(guó)在BCI研究方面的經(jīng)驗(yàn)交流。目前，腦機(jī)接口的研究主要有以下幾個(gè)方向。

　　2.1慢皮層電位

　　慢皮層電位(slow cortical potential，SCP)是大腦皮層腦電信號(hào)中最慢的頻率部分，它的時(shí)間序列中持續(xù)時(shí)間為 300 ms到幾秒之間的正負(fù)電位偏移。思維活動(dòng)顯著時(shí)，大腦皮層的興奮性增強(qiáng)，SCP 發(fā)生負(fù)向變換;思維活動(dòng)減弱時(shí)，大腦皮層的興奮度降低，SCP 發(fā)生正向變換。研究表明，幾乎所有人均能自主地調(diào)節(jié)慢皮層電位，因此慢皮層電位可以作為腦機(jī)接口的控制信號(hào)。

　　2.2視覺誘發(fā)電位

　　視覺誘發(fā)電位(visual evoked potential，VEP)是指神經(jīng)系統(tǒng)接受視覺刺激(如圖形翻轉(zhuǎn)、顏色交替或閃光等刺激)所產(chǎn)生的特定電活動(dòng)。根據(jù)視覺刺激模式的頻率不同，視覺誘發(fā)電位可以分為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(steadystate visual evoked potential， SSVEP)和瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位(transient visual evoked potential， TVEP)。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位是指在較高頻率刺激下，上一次刺激引起的反應(yīng)還未消失，下一次刺激就已經(jīng)出現(xiàn)所引起的現(xiàn)象。瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位是指在較低頻率刺激下，上一次刺激引起的反應(yīng)消失后，下一次刺激才出現(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的誘發(fā)電位。

　　目前使用較多的是SSVEP，典型的研究機(jī)構(gòu)有美國(guó) Wright Patterson 空軍基地和清華大學(xué)。Wright Patterson空軍基地的McMillan和Calhoun對(duì)SSVEP進(jìn)行了研究，并利用SSVEP實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行模擬器的控制。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在VEP這方面取得了一定的成績(jī)，開發(fā)了基于SSVEP的BCI系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過腦電信號(hào)控制空調(diào)和電視，甚至啟動(dòng)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(hào)系統(tǒng)”。Sutter等人在1992年建立了腦反應(yīng)界面(brain response interface)系統(tǒng)[6]。國(guó)內(nèi)重慶大學(xué)何慶華等人[7]設(shè)計(jì)了基于同頻次復(fù)合刺激方式的腦機(jī)接口系統(tǒng)。 　　2.3眼動(dòng)產(chǎn)生的α波

　　人在閉眼放松時(shí)，腦電信號(hào)的α波的幅值會(huì)升高，而睜眼時(shí)腦電信號(hào)的α波的幅值會(huì)降低甚至消失，這種現(xiàn)象稱為α波阻斷。α波阻斷現(xiàn)象在大腦枕區(qū)視覺皮層表現(xiàn)最明顯。據(jù)此可以通過對(duì)睜眼和閉眼的控制，調(diào)節(jié)α波振幅的大小，進(jìn)而輸出特定控制信號(hào)。

　　Dewan最早實(shí)現(xiàn)了利用眼球運(yùn)動(dòng)對(duì)α波幅度的調(diào)節(jié)，并把其應(yīng)用于Morse電報(bào)碼的發(fā)送。國(guó)內(nèi)，王黎等[8]利用α波對(duì)人疲勞狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，其準(zhǔn)確率接近100%;李凌等[9]對(duì)閉眼和睜眼靜息狀態(tài)下腦電α波的差異進(jìn)行了研究，經(jīng)研究得到閉眼情況下α波功率明顯高于睜眼情況下α波功率。

　　2.4P300電位

　　P300是主要位于中央皮層區(qū)域的一種與大腦認(rèn)知加工過程有關(guān)的內(nèi)源性誘發(fā)電位，其波形是一個(gè)具有正電位的波峰，其潛伏期大約為300 ms。研究表明，P300電位與相關(guān)事件出現(xiàn)的概率聯(lián)系緊密。通常，出現(xiàn)概率越小的相關(guān)事件，其產(chǎn)生的P300電位越顯著。但是如果相關(guān)事件出現(xiàn)的概率越小，其誘發(fā)一次P300電位的時(shí)間將會(huì)越長(zhǎng)，進(jìn)而嚴(yán)重影響B(tài)CI系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

　　最早記錄到P300電位的是Sutton通過oddball實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。較典型的腦機(jī)接口有美國(guó)Illinois大學(xué)的Farwell和Donchin等[10]人設(shè)計(jì)的基于P300電位的虛擬打字機(jī)。2010年，Rebsamen等[11]利用P300電位實(shí)現(xiàn)了智能輪椅在已知環(huán)境下的自主導(dǎo)航。該方案首先是在一個(gè)已知的環(huán)境里做好路徑規(guī)劃后，把這些位置以圖標(biāo)形式顯示在電腦界面上，使用者就可根據(jù)誘發(fā)出P300電位的相關(guān)事件，選擇自己想去的位置，在選擇完成后，智能輪椅將根據(jù)預(yù)先規(guī)劃好的路徑自動(dòng)到達(dá)該位置。此外，基于 P300 還開發(fā)了如屏幕上的鼠標(biāo)移動(dòng)、思維游戲和大腦畫家(brain painter)等[12]裝置。

　　2.5基于運(yùn)動(dòng)想象的μ節(jié)律和β波

　　當(dāng)人想象肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些區(qū)域產(chǎn)生的腦電信號(hào)將出現(xiàn)顯著的變化，尤其是μ節(jié)律和β波變化最為顯著：當(dāng)想象右手運(yùn)動(dòng)時(shí)，左腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域皮層的腦電信號(hào)變化明顯;當(dāng)想象左手動(dòng)作時(shí)，右腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域皮層的腦電信號(hào)變化明顯;當(dāng)想象腳運(yùn)動(dòng)時(shí)，大腦中央運(yùn)動(dòng)區(qū)域的腦電信號(hào)變化明顯。因此，基于運(yùn)動(dòng)想象的μ節(jié)律和β波可以作為腦機(jī)接口的控制信號(hào)。

　　Tanaka等人[13]通過對(duì)想象左右臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了智能輪椅左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。CanoIzquierdo等[14]研究三類運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)其識(shí)別率在80%左右。Barachant等[15]研究對(duì)4類運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)，得到的識(shí)別率僅有70%左右。沈繼忠等人[16]對(duì)想象左右手運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的腦電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，平均識(shí)別率達(dá)到86%左右。徐寶國(guó)等[17]研究左右手運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，在線平均識(shí)別率達(dá)到89.5%。目前對(duì)基于運(yùn)動(dòng)想象的μ節(jié)律和β波的研究中，存在對(duì)兩類運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的識(shí)別率較高，而對(duì)三類或者更多類運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)的識(shí)別率很低的問題。

　　3腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

　　盡管大量實(shí)驗(yàn)和研究已經(jīng)表明通過腦電信號(hào)建立BCI系統(tǒng)的可行性，但BCI技術(shù)還有許多亟待解決的問題。

　　1)信號(hào)處理和信息轉(zhuǎn)換速度慢。目前，BCI系統(tǒng)的最大信息轉(zhuǎn)換速度可達(dá)68 bit/min，此速度與正常交流時(shí)所需的速度相差甚遠(yuǎn)[18]。

　　2)信號(hào)識(shí)別精度低。目前，基于自發(fā)腦電的BCI系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)進(jìn)行的研究，2類思維任務(wù)的識(shí)別率約為90%[19]，3類任務(wù)得到其識(shí)別率在80%左右[14]。對(duì)4類運(yùn)動(dòng)得到的識(shí)別率僅有70%左右[15]?？刂浦噶疃鄷r(shí)，識(shí)別率低的問題使得BCI系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到了嚴(yán)重的限制。

　　3)信號(hào)采集和處理方法需改進(jìn)。腦電信號(hào)采集過程中，夾雜著不少干擾成分，如肌信號(hào)干擾等[18]，因此設(shè)計(jì)抗干擾能力強(qiáng)的腦電信號(hào)采集設(shè)備等問題有待解決;如何改善信號(hào)處理方法使之系統(tǒng)化、通用化，從而快速、精確、有效地設(shè)計(jì)出實(shí)用BCI系統(tǒng)的問題也有待研究。

　　4)自適應(yīng)性較差。自適應(yīng)性包括隨時(shí)間和空間變化的自適應(yīng)性和隨自身變化的自適應(yīng)性[19]。目前，BCI的自適應(yīng)性還比較差。

　　5)缺乏能對(duì)BCI系統(tǒng)的性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　總之，作為一種新興的、復(fù)雜的、涉及多學(xué)科的通信技術(shù)，BCI的發(fā)展還很不完善，存在的問題還很多，有待于科研工作者們下大氣力研究解決。

　　4腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用前景

　　腦機(jī)接口技術(shù)以其巨大的實(shí)用價(jià)值在全球內(nèi)得到廣泛的重視，隨著 BCI的發(fā)展，它將在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　首先，BCI技術(shù)在醫(yī)療檢測(cè)和康復(fù)醫(yī)學(xué)中有著巨大的應(yīng)用前景，如麻醉醫(yī)師通過觀測(cè)腦電信息掌握病人麻醉深度的信息，進(jìn)行手術(shù)麻醉深度監(jiān)護(hù)，以此來減少藥物對(duì)病人大腦的損傷;用在癲癇和多動(dòng)癥的治療過程，可有效避免藥物損害。BCI 技術(shù)還為肢體障礙患者提供生活便利，利用 BCI系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輪椅控制、計(jì)算機(jī)操作、開關(guān)控制等操作;幫助殘疾人或失去運(yùn)動(dòng)能力的老年人進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練等。

　　其次，在交通及軍事領(lǐng)域中，可以利用腦機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)無人駕駛等技術(shù)。通過遠(yuǎn)程發(fā)送腦電控制信號(hào)來駕駛汽車、飛機(jī)、火車等交通工具，不但可以準(zhǔn)確無誤地駕駛與飛行，還可以避免交通事故的發(fā)生并降低傷亡率。

　　再次，在休閑娛樂領(lǐng)域，通過腦機(jī)接口技術(shù)，可以通過思維控制來遙控電子游戲，實(shí)現(xiàn)前所未有的休閑娛樂方式。

　　此外，BCI 技術(shù)研究更重要的研究意義和價(jià)值在于它可以為大腦提供一種新的信息輸出渠道，實(shí)現(xiàn)大腦和外界環(huán)境的交流，有助于人們深入了解和研究復(fù)雜的大腦神經(jīng)活動(dòng)，并極大地豐富人類在腦認(rèn)知科學(xué)研究領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容。

　　5結(jié)束語

　　BCI技術(shù)為人類提供了一種全新的與外界進(jìn)行交流的方式，但是目前大多數(shù)BCI研究仍然處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，真正投入實(shí)際使用的很少，同時(shí)BCI技術(shù)的研究和開發(fā)還有很多問題需要解決。但是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、智能控制等各個(gè)相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展與融合，BCI技術(shù)必將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，造福人類。 　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　李勃(1986)，男，內(nèi)蒙古突泉縣人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟X機(jī)接口技術(shù)研究。Braincomputer interface technology research review

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