腦機接口研究概述

武警工程大學(xué) 李方博 劉方毅

腦機接口研究概述

武警工程大學(xué) 李方博 劉方毅

腦機接口(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.

腦機接口;腦電圖;生物醫(yī)學(xué)信號;數(shù)字信號處理

1 緒論

腦-機接口(brain computer interface,BCI)腦是在人腦與計算機或其他電子設(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,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,許多研究者對此技術(shù)展開了合理的科學(xué)幻想,但受制與當(dāng)時的信息技術(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)的主要動力,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,這些患者對于交流、移動性、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;對于學(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)實意義.

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

1.2.1 BCI國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(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.國內(nèi)BCI研究的主要資金來源是政府, 供資實體包括科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、高技術(shù)研究開發(fā)計劃等[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)、實驗室監(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驗室。

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)研究上達到了國際領(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,他們成功實現(xiàn)了基于非入侵式的SSVEP腦機接口系統(tǒng),達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)的腦機接口方面取得不俗進展,利用P300事件相關(guān)電位、SSVEP、慢皮層電位(Slow Cortical Potentials,SCP),感覺運動節(jié)律(Sensorimotor rhythms,SMR)等信號設(shè)計的串聯(lián)或者并聯(lián)BCI在實用化取得豐碩成果.設(shè)計出利用P300事件相關(guān)電位成公檢測出植物人殘存意思的BCI.

1.2.2 BCI國際現(xiàn)狀

從外文文獻檢索brain computer interface相關(guān)文獻,2000年前論文數(shù)量僅有個位數(shù),2003年前不到百篇,之后到2016年年均388篇,2011年達到歷史最高的732篇.

2006年世界技術(shù)評估中心在世界范圍內(nèi)對BCI相關(guān)機構(gòu)進行了調(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.我國幾乎全是非侵入式的BCI研究.

2 BCI系統(tǒng)的構(gòu)成

為了達到在人腦與計算機或其他電子設(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:信號采集模塊、信號處理模塊、控制器模塊.

2.1 信號采集模塊

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

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

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

2.2 信號處理模塊

信號處理模塊是將采集到的腦信號進行處理以得到能夠反映不同思維活動的信息,是實現(xiàn)BCI系統(tǒng)的核心部分,信號處理涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、模式識別、機器學(xué)習(xí)、信號的建模與仿真等相關(guān)理論,具有較高難度,是BIC研究的一個關(guān)注點.

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

2.2.1 經(jīng)典數(shù)字信號處理

在短時間內(nèi)、特定環(huán)境下可以假設(shè)腦信號是線性平穩(wěn)的,于是能用經(jīng)典數(shù)字信號處理的理論來研究腦信號,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)、無限長單位沖擊響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器、有限長單位沖擊響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器、信號采樣.

2.2.2 統(tǒng)計數(shù)字信號處理

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

2.2.3 現(xiàn)代數(shù)字信號處理

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

2.3 控制器模塊

控制器是將反映大腦思維意識的信號用來控制外部特定設(shè)施,實現(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)計符合患者需求的控制器模塊具有不同于常規(guī)的設(shè)計要求,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)有腦機接口

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

常見腦電信號分類:

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)時間為幾百毫秒到幾秒,能反映皮層興奮性,與運動和皮層激活有關(guān),具有較大正負電位差異,負向的慢皮層電位與運動相關(guān)的皮層活動有關(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?zāi)Ｊ较鲁霈F(xiàn),即對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)的順序是隨機的.對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,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簡單和成熟的還是穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位

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

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

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

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