论文部分内容阅读
摘 要：随着我国经济实力的快速提高，在科学技术方面也逐渐取得大的进步，脑机接口技术就是其中一项取得较大进步的技术。它能够不依靠人的外周神经和肌肉组织就能够做到人与机器通信，能够给人开创一条不通过肌肉与外界进行信息交流而做到人与机器进行通信操作的通道。本文通过对前人研究成果的总结归纳，讲述脑机接口系统工作的方法原理和主要构成，对BCI系统的视觉诱发电位、自发mu节律等技术手段的数据和特点获取的方法进行了分析对比，在末尾对脑机接口技术的应用进行总结并考虑其未来的方向。
关键词：脑机接口；视觉诱发电位；技术研究
引言
从二十世纪七十年代起就陆陆续续兴起了对脑机接口技术的研究，这一人机交互技术涉及到的内容有很多，如神经科学、信号检测、信号处理以及模式处理等多种技术，这些技术经过交织组合后才形成了脑机接口技术。自1990年起，脑机接口技术开始了它的快速发展之路，根据统计的数据得知，在1995年整个世界范围内也仅有6个BCI技术研究组织，而到2002年则已经发展出了三十多个研究机构，时至今日已经有一百多个组织，未来对BCI技术的研究将会更加受到世界各国的重视。
一、脑机接口系统的组成以及工作原理
大脑是人类最高级的神经中枢，它控制着人类语言、动作、学习、观察以及表达情绪和思考等生命活动，对那些由感受器获取外界环境中信息并通过传入、传出神经后到达大脑的信息进行分析并处理，对人的机体做出反应从而实现人体与外界的交流；然而，目前人类有一些疾病能够将大脑这个神经中枢与肌肉之间进行神经联系、阻断了它们之间的电信号传输。对于这类患者，当今有几种治疗手段：第一是增强目前仍存在的完好的神经传导能力，从而利用仍存在的肌肉与神经中枢之间的连接来做到人机体与外环境的交互。第二是采用绕过神经通路上断点的方法。第三是放弃神经传导，开创一个新的通信方式使大脑与外环境交互，使外设机器能够连接到大脑，检测大脑中的信号、对信号进行分析处理并传达到外部设备，这就是BCI技术[1]。
脑机接口这整个系统分为以下几个部分：信号采集、特征提取、模式识别、控制命令输出。在BCI系统运行过程中，首先利用仪器去感知并获取人类大脑神经中枢的活动数据等信息，接下来是对已经采集到的大脑活动信息进行预处理操作，其方式包括将信号量化并放大，预处理完成后到达特征提取这一环节，而通过特征提取这一步的信息能够很好地将人的大脑在一些情况下的脑电信号特征展现出来；这些电信号经过特征提取后，采用脑机接口系统的人的思想意图已经展现出来，紧接着这些信号到达控制命令输出这一部分被转化为控制信号，进而做到与外界环境的交互。
二、脑机接口技术研究现状
二十一世纪以来，世界各国对脑机接口技术的研究不断深入，对脑机接口技术也有了更宽泛和更深入的了解。各大机构组织以下面几种方案对BCI系统进行全面探究。
（一）视觉诱发电位
人的大脑在利用视觉感知到外部信息从而在视觉与大脑神经中枢通路上产生可以检测到的电信号，这便是视觉诱发电位由视觉刺激形成。按照外部视觉刺激不同的频率还可以将视觉诱发电位分成稳态视觉诱发电位和瞬太视觉诱发电位这两种。通俗来讲，稳态视觉诱发电位是在刺激频率高的情况下产生，第一次刺激给人造成的效果还没有完全褪去紧接着第二次刺激来临。例如：清华大学以稳态视觉誘发电位的脑机接口系统，让参与试验的人注视电子屏幕上的数字来引发电信号，从而完成一系列的活动。而以瞬态视觉诱发电位为基础的脑机接口系统经典的是suttrr建立的脑反应界面的脑机接口系统。这一系统的优势体现在可以区别许多种电信号种类，同时有很高的传输率，也不需要受试者经过很多的训练；其缺点在于受试者长时间受到视觉刺激很容易产生疲劳，从而造成分类正确性下降[2]。
（二）自主控制皮层慢电位的波幅
皮层慢电位的持续时间短则几百ms长的达到几十秒，它是头皮记录EEG信号中频率最低的一个，同时它的正负电位差异很大、是频率低正负差异大的脑电信号。这一项研究脑机接口系统采用检测受试者皮层慢电位的变动情况，进而实现产生相应操作命令的目的。曾有研究人员为闭锁综合征患者开发了思维翻译器，基于皮层慢电位的脑机接口系统使六个完全瘫痪的患者经过长期的恢复训练后，四个患者能够控制皮层慢电位，两个患者能够利用TTD进行单词的拼写，成功做到与外界的交互。这一方案的优势在于由患者承担起工作任务，分析处理的方式也更加简单；同时缺点是患者需要长时间的训练，信息传输的速度不够快[3]。
（三）不同思维作业产生脑电的差别
人的大脑皮层有几个不同的功能区，每一个功能区控制着人不同的活动，如学习、语言、行为等，每个功能区紧密联系着这一区域信息的加工处理。人使用语言的时候控制语言的区域进行工作，alpha波出现右强左弱的现象；而人在进行空间想象等行为时则是左脑alpha波幅有很高的值、右脑出现阻断。对想象物体旋转、心算乘法这两种思维作业作为控制信号，在线操控一个能够左右旋转的轮子。该方案是当前以思维作业电信号为基础的在线脑机接口系统，它的优势在于能够自主产生脑电信号、避免了长时间训练或是刺激、可识别多类型的信号、信号传输较快；不足之处是对受试者有很高的要求，不同身体素质、心理状况的受试者对最后的正确率有一定程度的影响[4]。
三、结束语
BCI技术的本意是开创一种新的方式能够让患者与外界环境有更多的交互，随着科学技术的不断发展，BCI在人工智能、军事等领域也有很大的潜力。它使人们可以通过脑电信号来表达出情绪思想、控制机器，而不必利用语言和动作。目前，多数脑机接口技术还正处于研究阶段，但随着计算机技术、神经学、智能控制等领域的发展，BCI技术也必定逐渐走向成熟。
参考文献
[1]陈小刚，王毅军.基于脑电的无创脑机接口研究进展[J].科技导报，2018，36（12）：22-30.
[2]高楠，傅俊英，赵蕴华，等.脑机接口专利情报研究[J].现代生物医学进展，2016，16（1）：144-150.
[3]尧俊瑜，邬长杰.脑机接口技术的研究与展望[J].现代计算机，2017（26）：51-53.
[4]曲斯伟，宋为群.脑-机接口技术在卒中患者康复中的研究进展[J].中国脑血管病杂志，2016，13（3）：156-161.
作者简介
刘圆子，1993，女，汉族，河南省，学生，硕士研究生，单位：长春理工大学，研究方向：脑机接口。
（作者单位：长春理工大学）
关键词：脑机接口；视觉诱发电位；技术研究
引言
从二十世纪七十年代起就陆陆续续兴起了对脑机接口技术的研究，这一人机交互技术涉及到的内容有很多，如神经科学、信号检测、信号处理以及模式处理等多种技术，这些技术经过交织组合后才形成了脑机接口技术。自1990年起，脑机接口技术开始了它的快速发展之路，根据统计的数据得知，在1995年整个世界范围内也仅有6个BCI技术研究组织，而到2002年则已经发展出了三十多个研究机构，时至今日已经有一百多个组织，未来对BCI技术的研究将会更加受到世界各国的重视。
一、脑机接口系统的组成以及工作原理
大脑是人类最高级的神经中枢，它控制着人类语言、动作、学习、观察以及表达情绪和思考等生命活动，对那些由感受器获取外界环境中信息并通过传入、传出神经后到达大脑的信息进行分析并处理，对人的机体做出反应从而实现人体与外界的交流；然而，目前人类有一些疾病能够将大脑这个神经中枢与肌肉之间进行神经联系、阻断了它们之间的电信号传输。对于这类患者，当今有几种治疗手段：第一是增强目前仍存在的完好的神经传导能力，从而利用仍存在的肌肉与神经中枢之间的连接来做到人机体与外环境的交互。第二是采用绕过神经通路上断点的方法。第三是放弃神经传导，开创一个新的通信方式使大脑与外环境交互，使外设机器能够连接到大脑，检测大脑中的信号、对信号进行分析处理并传达到外部设备，这就是BCI技术[1]。
脑机接口这整个系统分为以下几个部分：信号采集、特征提取、模式识别、控制命令输出。在BCI系统运行过程中，首先利用仪器去感知并获取人类大脑神经中枢的活动数据等信息，接下来是对已经采集到的大脑活动信息进行预处理操作，其方式包括将信号量化并放大，预处理完成后到达特征提取这一环节，而通过特征提取这一步的信息能够很好地将人的大脑在一些情况下的脑电信号特征展现出来；这些电信号经过特征提取后，采用脑机接口系统的人的思想意图已经展现出来，紧接着这些信号到达控制命令输出这一部分被转化为控制信号，进而做到与外界环境的交互。
二、脑机接口技术研究现状
二十一世纪以来，世界各国对脑机接口技术的研究不断深入，对脑机接口技术也有了更宽泛和更深入的了解。各大机构组织以下面几种方案对BCI系统进行全面探究。
（一）视觉诱发电位
人的大脑在利用视觉感知到外部信息从而在视觉与大脑神经中枢通路上产生可以检测到的电信号，这便是视觉诱发电位由视觉刺激形成。按照外部视觉刺激不同的频率还可以将视觉诱发电位分成稳态视觉诱发电位和瞬太视觉诱发电位这两种。通俗来讲，稳态视觉诱发电位是在刺激频率高的情况下产生，第一次刺激给人造成的效果还没有完全褪去紧接着第二次刺激来临。例如：清华大学以稳态视觉誘发电位的脑机接口系统，让参与试验的人注视电子屏幕上的数字来引发电信号，从而完成一系列的活动。而以瞬态视觉诱发电位为基础的脑机接口系统经典的是suttrr建立的脑反应界面的脑机接口系统。这一系统的优势体现在可以区别许多种电信号种类，同时有很高的传输率，也不需要受试者经过很多的训练；其缺点在于受试者长时间受到视觉刺激很容易产生疲劳，从而造成分类正确性下降[2]。
（二）自主控制皮层慢电位的波幅
皮层慢电位的持续时间短则几百ms长的达到几十秒，它是头皮记录EEG信号中频率最低的一个，同时它的正负电位差异很大、是频率低正负差异大的脑电信号。这一项研究脑机接口系统采用检测受试者皮层慢电位的变动情况，进而实现产生相应操作命令的目的。曾有研究人员为闭锁综合征患者开发了思维翻译器，基于皮层慢电位的脑机接口系统使六个完全瘫痪的患者经过长期的恢复训练后，四个患者能够控制皮层慢电位，两个患者能够利用TTD进行单词的拼写，成功做到与外界的交互。这一方案的优势在于由患者承担起工作任务，分析处理的方式也更加简单；同时缺点是患者需要长时间的训练，信息传输的速度不够快[3]。
（三）不同思维作业产生脑电的差别
人的大脑皮层有几个不同的功能区，每一个功能区控制着人不同的活动，如学习、语言、行为等，每个功能区紧密联系着这一区域信息的加工处理。人使用语言的时候控制语言的区域进行工作，alpha波出现右强左弱的现象；而人在进行空间想象等行为时则是左脑alpha波幅有很高的值、右脑出现阻断。对想象物体旋转、心算乘法这两种思维作业作为控制信号，在线操控一个能够左右旋转的轮子。该方案是当前以思维作业电信号为基础的在线脑机接口系统，它的优势在于能够自主产生脑电信号、避免了长时间训练或是刺激、可识别多类型的信号、信号传输较快；不足之处是对受试者有很高的要求，不同身体素质、心理状况的受试者对最后的正确率有一定程度的影响[4]。
三、结束语
BCI技术的本意是开创一种新的方式能够让患者与外界环境有更多的交互，随着科学技术的不断发展，BCI在人工智能、军事等领域也有很大的潜力。它使人们可以通过脑电信号来表达出情绪思想、控制机器，而不必利用语言和动作。目前，多数脑机接口技术还正处于研究阶段，但随着计算机技术、神经学、智能控制等领域的发展，BCI技术也必定逐渐走向成熟。
参考文献
[1]陈小刚，王毅军.基于脑电的无创脑机接口研究进展[J].科技导报，2018，36（12）：22-30.
[2]高楠，傅俊英，赵蕴华，等.脑机接口专利情报研究[J].现代生物医学进展，2016，16（1）：144-150.
[3]尧俊瑜，邬长杰.脑机接口技术的研究与展望[J].现代计算机，2017（26）：51-53.
[4]曲斯伟，宋为群.脑-机接口技术在卒中患者康复中的研究进展[J].中国脑血管病杂志，2016，13（3）：156-161.
作者简介
刘圆子，1993，女，汉族，河南省，学生，硕士研究生，单位：长春理工大学，研究方向：脑机接口。
（作者单位：长春理工大学）