腦機(jī)接口

腦機(jī)接口Braincomputer interface，BCI是人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的直接通信和控制通道通過這一通道，人們可以直接通過大腦表達(dá)思想或操縱設(shè)備，無需語言或動(dòng)作，可以有效增強(qiáng)重度肢體殘疾患者與外界交流或控制外界環(huán)境的能力，從而提高患者的生活質(zhì)量。腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)是一種涉及神經(jīng)科學(xué)的技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、模式識(shí)別和其他跨學(xué)科技術(shù)。

用大腦思維活動(dòng)的信號(hào)直接與外界交流，甚至控制周圍環(huán)境，是人類自古以來一直追求的夢(mèng)想。自1929年漢斯伯格首次記錄腦電圖以來，人們一直猜測(cè)它可能用于交流和控制，從而使大腦不需要通常的介質(zhì)—借助外周神經(jīng)和肢體，直接影響外界。但由于當(dāng)時(shí)整體科技水平的限制，以及對(duì)大腦思維機(jī)制的認(rèn)識(shí)不足，這方面的研究進(jìn)展甚微。

腦機(jī)接口

腦-機(jī)接口(Brain-BCI computer interface company)技術(shù)形成于70年代(Vidal, 1973)是一種神經(jīng)科學(xué)、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、模式識(shí)別和其他跨學(xué)科技術(shù).在過去的20年里，隨著人們生活水平的提高隨著人們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能的認(rèn)識(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，BCI技術(shù)的研究呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，特別是1999年和2002年兩次BCI國(guó)際會(huì)議的召開，為BCI技術(shù)的發(fā)展指明了方向.目前，BCI技術(shù)已引起世界上許多科技工作者的普遍關(guān)注，并已成為生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信等領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

BCI簡(jiǎn)介

BCI是一個(gè)連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時(shí)通信系統(tǒng).BCI系統(tǒng)可以直接將大腦發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的命令，代替人的肢體或語言器官，實(shí)現(xiàn)人與外界的交流，控制外部環(huán)境.換句話說，BCI系統(tǒng)可以替代正常的外周神經(jīng)和肌肉組織，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)或者人與外界環(huán)境的交流。

BCI技術(shù)的核心是將用戶輸入的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出控制信號(hào)或命令的轉(zhuǎn)換算法.BCI研究工作中很重要的一部分就是調(diào)整人腦與BCI系統(tǒng)的適應(yīng)關(guān)系，即找到合適的信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換算法，使神經(jīng)電信號(hào)能夠?qū)崟r(shí)、快速、它通過BCI系統(tǒng)被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的命令或操作信號(hào)。

2021年7月，鑒于腦機(jī)接口技術(shù)的面貌，“帶寬不足”植入創(chuàng)傷大”長(zhǎng)期記錄穩(wěn)定性差”三大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問題，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研發(fā)了微創(chuàng)免開顱植入式高通量柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，前端柔性神經(jīng)電極已經(jīng)在晶圓級(jí)批量生產(chǎn)目前，單個(gè)設(shè)備可以集成多達(dá)2640個(gè)通道的腦電信號(hào)采集；柔性電極無需開顱即可微創(chuàng)植入顱骨，植入創(chuàng)傷小于0.7mm，可以自動(dòng)繞過血管、減少創(chuàng)傷；電極植入后，可實(shí)現(xiàn)術(shù)后30分鐘的急性信號(hào)采集和長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的穩(wěn)定神經(jīng)信號(hào)追蹤；它已經(jīng)成功地應(yīng)用于老鼠身上、兔、許多動(dòng)物模型，如猴子。

2021年7月8日，“免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機(jī)接口”基于技術(shù)的世界人工智能大會(huì)在上海召開（WAIC），并獲得大會(huì)最高獎(jiǎng)，——賽爾獎(jiǎng)（SuperAILeader，杰出人工智能領(lǐng)袖獎(jiǎng)）

2022年9月18日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究

院正高級(jí)工程師、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院研究員李小健及其合作團(tuán)隊(duì)披露，利用光學(xué)納米神經(jīng)遙控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口設(shè)備小型化柔性植入壽命可控信息無線交互。這種腦機(jī)接口應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，不僅是我國(guó)學(xué)者首創(chuàng)并持續(xù)引領(lǐng)的，也是腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室走向臨床的重要環(huán)節(jié)。這項(xiàng)研究于2022年9月5日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊自然的子刊自然 生物醫(yī)學(xué)3356工程上。

神經(jīng)科學(xué)的研究表明，在大腦產(chǎn)生動(dòng)作意識(shí)后執(zhí)行動(dòng)作前，或者受試者受到外界刺激后，神經(jīng)系統(tǒng)的電活動(dòng)會(huì)發(fā)生變化.這種神經(jīng)電活動(dòng)的變化可以通過某些手段檢測(cè)到，并用作動(dòng)作即將發(fā)生的特征信號(hào).通過對(duì)這些特征信號(hào)的分類識(shí)別，可以分辨出引起腦電變化的動(dòng)作意圖，然后用計(jì)算機(jī)語言編程，轉(zhuǎn)化人 s思維活動(dòng)轉(zhuǎn)化為命令信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)人腦對(duì)外部環(huán)境的控制，而不需要肌肉和周圍神經(jīng)的直接參與.這是BCI的基本工作原理。

第一次BCI國(guó)際會(huì)議對(duì)BCI的定義是：腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain computer interface)它是一個(gè)不依賴于外周神經(jīng)和肌肉組成的正常輸出通路的通訊系統(tǒng)”BCI完全不依賴肌肉和周圍神經(jīng)的參與，直接實(shí)現(xiàn)大腦和計(jì)算機(jī)的交流.這對(duì)完全喪失行為能力的病人(如中風(fēng)肌肉萎縮(脊髓)側(cè)索硬化腦癱等)輔助治療與語言功能、行為能力的恢復(fù)對(duì)特殊環(huán)境下外部設(shè)備的控制乃至娛樂方式的改進(jìn)都具有重要意義。

基于不同的需求，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種可以在實(shí)驗(yàn)室演示的基于腦電的BCI原型系統(tǒng)。原則上，BCI系統(tǒng)一般由輸入和輸出組成、輸出和信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié).輸入鏈接的功能是生成、檢測(cè)包含一定特征的腦電活動(dòng)特征信號(hào)，并用參數(shù)描述這種特征。信號(hào)處理的功能是對(duì)源信號(hào)進(jìn)行處理和分析，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一些特征參數(shù)(如幅值、自回歸模型的系數(shù)等)表示的數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)讀取和處理，并對(duì)這些特征信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分類，確定其相應(yīng)的思想活動(dòng)。信號(hào)轉(zhuǎn)換基于信號(hào)分析、分類后得到的特征信號(hào)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)或操作命令來操作輸出設(shè)備，或直接輸出表示病人的字母或單詞的意圖，從而達(dá)到與外界溝通的目的.作為輸入和輸出的中間環(huán)節(jié)，信號(hào)分析和轉(zhuǎn)換是BCI系統(tǒng)的重要組成部分.在訓(xùn)練強(qiáng)度不變的情況下，改進(jìn)信號(hào)分析和轉(zhuǎn)換的算法，可以提高分類的準(zhǔn)確性，優(yōu)化BCI系統(tǒng)的控制性能.BCI系統(tǒng)的輸出設(shè)備包括指針移動(dòng)、字符選擇、神經(jīng)假體的運(yùn)動(dòng)和其他設(shè)備的控制等。

腦機(jī)接口技術(shù)

第一次BCI國(guó)際會(huì)議根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)將BCI系統(tǒng)分為兩類，即：BCI系統(tǒng)使用自發(fā)的腦電信號(hào)，BCI系統(tǒng)使用誘發(fā)的腦電信號(hào)。

基于自發(fā)腦電的BCI系統(tǒng)以自發(fā)腦電作為系統(tǒng)的輸入特征信號(hào)。其特點(diǎn)是受試者經(jīng)過訓(xùn)練后可以自主控制腦電的變化，從而直接控制外界環(huán)境，但通常需要大量的訓(xùn)練，易受自身身體狀況的影響、情緒、疾病等各種因素的影響。

誘發(fā)腦電信號(hào)的BCI系統(tǒng)是利用外界刺激誘發(fā)大腦皮層相應(yīng)部位電活動(dòng)的變化，并將其作為特征信號(hào)。外部誘導(dǎo)的BCI系統(tǒng)不需要對(duì)受試者進(jìn)行過多的訓(xùn)練，但需要特定的環(huán)境(例如以矩陣形式排列的閃爍視覺刺激輸入)這不利于系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

在系統(tǒng)輸出模式下，前者使操作員能夠?qū)⒅羔樢苿?dòng)到任何二維或多維位置，而后者僅使操作員能夠在列出的選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。根據(jù)信號(hào)檢測(cè)方式的不同，BCI也可分為電極內(nèi)置和電極外置兩種基本形式。

電極內(nèi)置信號(hào)檢測(cè)法使電極直接接觸或進(jìn)入大腦皮層，測(cè)得的信號(hào)噪聲小、損失低，但因?yàn)樯婕笆中g(shù)，操作復(fù)雜，需要專業(yè)操作人員，容易被感染。

外置電極的信號(hào)檢測(cè)方法簡(jiǎn)單安全，有利于BCI系統(tǒng)的推廣但是電極離信號(hào)源遠(yuǎn)，噪聲大。在BCI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)信號(hào)的特性來選擇采用哪種方案、綜合考慮測(cè)量技術(shù)水平和實(shí)際要求的精度。

BCI系統(tǒng)是由信號(hào)產(chǎn)生的、處理、轉(zhuǎn)換、輸出開關(guān)時(shí)鐘等單元。在BCI技術(shù)的發(fā)展中，信號(hào)分析和轉(zhuǎn)換算法是最重要的研究?jī)?nèi)容。

源信號(hào)的獲取

BCI源信號(hào)的采集過程包括信號(hào)產(chǎn)生、檢測(cè)(電極記錄)信號(hào)放大、去噪和數(shù)字處理等。人腦可以產(chǎn)生各種信號(hào)，包括電信號(hào)、磁的、對(duì)大腦活動(dòng)和其他形式的化學(xué)和機(jī)械反應(yīng)。這些信號(hào)可以被相應(yīng)的傳感器檢測(cè)到，從而使得BCI的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于對(duì)磁信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)要求較高，BCI信號(hào)的獲取主要基于相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)、低成本腦電檢測(cè)技術(shù)。

信號(hào)的產(chǎn)生

根據(jù)待獲取信號(hào)的特點(diǎn)和性質(zhì)，必須采用相應(yīng)的方法產(chǎn)生特征信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生方法包括使用視覺誘發(fā)電位、使用事件相關(guān)電位、模擬虛擬環(huán)境，自主控制腦電圖。

信號(hào)的檢測(cè)

信號(hào)檢測(cè)方法取決于待檢測(cè)的神經(jīng)電信號(hào)的特性.根據(jù)電極的類型，BCI系統(tǒng)可以分為兩種基本形式內(nèi)置電極和外置電極。

信號(hào)的處理方法

BCI系統(tǒng)中的信號(hào)處理包括信號(hào)預(yù)處理、特征提取、識(shí)別分類等過程。傳統(tǒng)的腦電信號(hào)分析方法是對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次檢測(cè)并對(duì)均值進(jìn)行濾波，然后用統(tǒng)計(jì)方法找出腦電信號(hào)的變化規(guī)律.這種方法信息傳輸速率低，不能滿足實(shí)時(shí)控制的需要.目前，腦電信號(hào)的處理一般采用單一訓(xùn)練信號(hào)的研究.其中，特征提取識(shí)別和分類是BCI信號(hào)處理中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

BCI的特征提取方法

特征提取就是把特征信號(hào)作為源信號(hào)，確定各種參數(shù)并作為向量，形成一個(gè)特征向量來表征信號(hào)特征.特征參數(shù)包括時(shí)域信號(hào)(如幅值)和頻域信號(hào)(如頻率)有兩類，相應(yīng)的特征提取方法也分為時(shí)域方法、頻域法和時(shí)-頻域方法。

特征信號(hào)的分類與識(shí)別

特征信號(hào)分類是基于腦電信號(hào)根據(jù)不同的動(dòng)作或意識(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)這一特性，確定動(dòng)作或意識(shí)的類型與特征信號(hào)之間的關(guān)系.信號(hào)分類的結(jié)果取決于兩個(gè)因素一個(gè)是待分類的特征信號(hào)是否具有明顯的特征，即特征信號(hào)的性質(zhì)；二是分類方法是否有效。幾種典型的BCI特征信號(hào)的分類總結(jié)如下：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；貝葉斯-卡爾曼濾波；線性判別分析；遺傳算法；概率模型。

作為一種新興的跨學(xué)科通信技術(shù)，目前BCI的研究大多處于理論和實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。However, from its performance, BCI system and its technology will play an important role in various fields involving the human brain, especially for the ability recovery and functional training of patients with severe lack of mobility。目前，對(duì)BCI應(yīng)用的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

交流功能

這類研究的目的是提高語言喪失患者與外界的交流能力。

環(huán)境控制

目前，對(duì)BCI環(huán)境控制的研究主要基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有相對(duì)安全性和目標(biāo)可移動(dòng)的特點(diǎn)，可以為訓(xùn)練和調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)提供安全可靠的環(huán)境.主題 大腦發(fā)出操作命令，這些命令不是由肌肉和周圍神經(jīng)傳遞和執(zhí)行的，而是由BCI系統(tǒng)檢測(cè)到的、分析識(shí)別相應(yīng)的腦電信號(hào)，確定要進(jìn)行的操作，然后由輸出設(shè)備控制目標(biāo)。

運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)

BCI系統(tǒng)完成腦電信號(hào)檢測(cè)和分類的過程，然后輸出指令給神經(jīng)假體，完成已經(jīng)喪失功能的周圍神經(jīng)的功能，或者輸出指令信號(hào)給輪椅上的指令接收系統(tǒng)，完成運(yùn)動(dòng)、行走等功能，使肢體完全喪失的患者可以在無人照看的情況下進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的活動(dòng)或進(jìn)行功能輔助訓(xùn)練。

其他領(lǐng)域的應(yīng)用

從理論上講，BCI技術(shù)可以應(yīng)用于任何涉及神經(jīng)電的通信系統(tǒng)，比如殘疾人無人駕駛汽車，即通過BCI系統(tǒng)將操作過程中腦電信號(hào)的一系列變化實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成操作指令，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛的目的。

BCI是一門新的跨學(xué)科技術(shù)，涉及神經(jīng)科學(xué)、信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理、模式識(shí)別等學(xué)科.BCI技術(shù)的研究具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景.由于BCI技術(shù)發(fā)展較晚，相應(yīng)的理論和算法還不成熟，對(duì)其應(yīng)用的研究還不完善，需要更多的科技工作者致力于該領(lǐng)域的研究工作.隨著技術(shù)的不斷完善和成熟，BCI將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，為仿生學(xué)開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。