腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r分析
——基于文獻(xiàn)調(diào)研

劉久煜，張?jiān)虑伲瑯?雪

（徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息學(xué)院，江蘇 徐州 221004）

腦機(jī)接口技術(shù)是一種將人腦與計(jì)算機(jī)或其他外界電子設(shè)備直接連接而不依靠正常的大腦信號(hào)（外周神經(jīng)與肌肉組織）輸出途徑的通信系統(tǒng)，涉及神經(jīng)科學(xué)、信號(hào)檢測(cè)及處理、模式識(shí)別等多個(gè)學(xué)科。1973年美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家Vidal[1]首次提出腦機(jī)接口這一概念，而在1999年和2002年召開的兩次腦機(jī)接口國(guó)際會(huì)議更是為腦機(jī)接口技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向提供了參考[2]。目前，腦機(jī)接口技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信技術(shù)等諸多領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究始于21世紀(jì)初，相比于歐美等國(guó)家稍有滯后。本文通過檢索2008—2018年近10年間萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)以及Web of Science收錄的相關(guān)文獻(xiàn)，從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)量、期刊來(lái)源等角度對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，進(jìn)而綜合調(diào)研分析結(jié)果以總結(jié)該技術(shù)的重要科研意義及參考價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口技術(shù)文獻(xiàn)的計(jì)量分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與檢索

數(shù)據(jù)來(lái)源于萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)。在萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)中采用高級(jí)檢索對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)研究論文進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間跨度為2008—2018年，選取檢索關(guān)鍵詞“腦機(jī)接口”進(jìn)行精確查找，返回檢索結(jié)果1 210條。其中涉及學(xué)科最多的是工業(yè)技術(shù)，共705篇文獻(xiàn)，其次為醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)科，共425篇文獻(xiàn)，涉及的其他學(xué)科領(lǐng)域還有生物科學(xué)、軍事等。

1.2 結(jié)果與分析

國(guó)內(nèi)研究者主要探討了腦機(jī)接口技術(shù)研究面臨的困難和挑戰(zhàn)，并且進(jìn)行了腦機(jī)接口技術(shù)研究介紹、各個(gè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比等方面的系列綜述，從而對(duì)研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望[3]。

圖1 2008—2018年國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從圖1可以看出，2008—2015年國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量呈上升趨勢(shì)，2012年開始年度文獻(xiàn)量突破100篇，而2015年以后，相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量有所下降。

從圖2可以看出，腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)涉及的領(lǐng)域多集中于工業(yè)技術(shù)與醫(yī)藥衛(wèi)生。由此不難發(fā)現(xiàn)，腦機(jī)接口技術(shù)研究的重點(diǎn)是其原理的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，這與工業(yè)技術(shù)中的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)是密不可分的。而腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)藥衛(wèi)生方面的研究，則和腦電波存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、腦信號(hào)識(shí)別與提取等息息相關(guān)[4]。

2 國(guó)外腦機(jī)接口技術(shù)文獻(xiàn)的計(jì)量分析

圖2 國(guó)內(nèi)2008—2018年腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)研究方向統(tǒng)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與檢索

為從定量角度了解腦機(jī)接口技術(shù)研究現(xiàn)狀，在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)論文進(jìn)行檢索，檢索年限設(shè)置為2008—2018，檢索策略（主題）設(shè)置為brain machine interface或brain-machine interface或brain computer interface或brain-computer interface，返回檢索結(jié)果5 476條。

2.2 結(jié)果與分析

圖3 2008—2018年國(guó)外腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從圖3可以看出，近10年全球腦機(jī)接口技術(shù)研究發(fā)表論文數(shù)量呈平穩(wěn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，由2008年的200多篇到2018年突破800篇，發(fā)展迅速，其中2010—2011年與2016—2017年文獻(xiàn)增長(zhǎng)量尤為明顯。

對(duì)近10年來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)不同研究方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占比最大，其次為計(jì)算機(jī)科學(xué)人工智能，另外涉及康復(fù)學(xué)、心理學(xué)方向，各個(gè)研究方向有交叉（見圖4）。神經(jīng)系統(tǒng)與神經(jīng)學(xué)領(lǐng)域主要應(yīng)用于康復(fù)[5]，直接利用腦機(jī)接口幫助有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的人實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，從而使他們能夠和外界進(jìn)行交流[6]。

圖4 2008—2018年國(guó)外各研究方向相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 國(guó)內(nèi)外研究情況對(duì)比分析

3.1 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要來(lái)源分析

通過分析國(guó)內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)研究文獻(xiàn)的來(lái)源，更透徹地了解其發(fā)展歷程及未來(lái)的研究方向，對(duì)研究者今后發(fā)表文獻(xiàn)提供更明確的指引。

3.1.1 國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)來(lái)源 在萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)上以“腦機(jī)接口”為關(guān)鍵詞，對(duì)刊名進(jìn)行檢索，時(shí)間跨度仍為2008—2018年，各主要期刊發(fā)文數(shù)量及占比統(tǒng)計(jì)情況見圖5。

圖5 國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)源

3.1.2 國(guó)內(nèi)引用量前10名的文獻(xiàn)分析（見表1）在萬(wàn)方數(shù)據(jù)知識(shí)服務(wù)平臺(tái)上以“腦機(jī)接口”為關(guān)鍵詞，選取2008—2018年引用量排在前10名的文獻(xiàn)，結(jié)果見表1。被引次數(shù)最多的是腦機(jī)接口的電信號(hào)處理相關(guān)文獻(xiàn)，其次是腦機(jī)接口中腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)以及腦電信號(hào)識(shí)別技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)。

3.1.3 國(guó)外文獻(xiàn)來(lái)源 以Web of Science為數(shù)據(jù)來(lái)源，對(duì)2008—2018年腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)按出版物來(lái)源進(jìn)行分類。其中，《神經(jīng)工程學(xué)雜志》（JOURNAL OF NEURAL ENGINEERING）發(fā)表的關(guān)于腦機(jī)接口主題的文獻(xiàn)最多，其次是《美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)——神經(jīng)系統(tǒng)與康復(fù)工程》（IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING），具體見圖 6。

圖6 國(guó)外腦機(jī)接口相關(guān)文獻(xiàn)出版物來(lái)源分析

3.1.4 國(guó)外引用量前10名的文獻(xiàn)分析 在Web of science數(shù)據(jù)庫(kù)中，以brain machine interface OR brain-machine interface OR brain computer interface OR brain-computer interface為檢索條件，檢索2008—2018年引用量前10名的文獻(xiàn)（見表2）。被引次數(shù)最多的是腦機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)，其次是腦機(jī)接口應(yīng)用及技術(shù)優(yōu)化相關(guān)文獻(xiàn)。

3.2 結(jié)果分析

一個(gè)領(lǐng)域最新的發(fā)展及研究方向可以通過對(duì)該領(lǐng)域文獻(xiàn)的研究進(jìn)行了解。對(duì)比國(guó)內(nèi)外學(xué)科文獻(xiàn)期刊來(lái)源，能夠看出：（1）腦機(jī)接口技術(shù)與計(jì)算機(jī)工程、醫(yī)學(xué)相關(guān)工程領(lǐng)域聯(lián)系最為密切。通過圖5可以清晰看到該領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)期刊來(lái)源比較分散，但主要集中于生物醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)這兩個(gè)方面。（2）腦機(jī)接口技術(shù)目前分為侵入式與無(wú)創(chuàng)式系統(tǒng)兩大研究方向。2006年，世界技術(shù)評(píng)估中心（WTEC）專家評(píng)估全球重要腦機(jī)接口研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)絕大部分集中在北美，而無(wú)創(chuàng)式系統(tǒng)的開發(fā)研究則主要分布于歐洲和亞洲[7]。

雖然我國(guó)研究起步相比國(guó)外較晚，但研究方向幾乎都是無(wú)創(chuàng)式系統(tǒng)。WTEC評(píng)估小組認(rèn)為隨著我國(guó)神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)研究和腦機(jī)接口系統(tǒng)研究項(xiàng)目的規(guī)模化、現(xiàn)代化發(fā)展，必將在不久的將來(lái)出現(xiàn)一流的侵入腦機(jī)接口項(xiàng)目[6]。而就在2012年2月，浙江大學(xué)鄭筱祥教授的研究團(tuán)隊(duì)使猴子“建輝”成功完成了用大腦控制機(jī)械手進(jìn)行一系列抓、勾、握等動(dòng)作[8]，也的確印證了評(píng)估小組的推測(cè)。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)等學(xué)科不斷交叉融合與迅速發(fā)展，不同領(lǐng)域的研究者共同推動(dòng)了腦機(jī)接口技術(shù)研究的深入[6]，這也體現(xiàn)出了該領(lǐng)域在各個(gè)學(xué)科交叉發(fā)展的現(xiàn)狀。而人類對(duì)不同生理狀況下的特征腦電的研究推動(dòng)了腦機(jī)接口技術(shù)在康復(fù)等醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域中基于腦機(jī)接口技術(shù)的設(shè)計(jì)也將更具靈活性。

表1 國(guó)內(nèi)引用量前10名的文獻(xiàn)

表2 國(guó)外引用量前10名的文獻(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展日益迅速，國(guó)外研究起步較早，發(fā)表文獻(xiàn)多，研究方向更偏向醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)科，而國(guó)內(nèi)研究更偏重計(jì)算機(jī)工業(yè)技術(shù)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間，特別是對(duì)一些疾病的緩解或治愈有重要意義。例如，對(duì)于有運(yùn)動(dòng)障礙的病患，通過腦機(jī)接口技術(shù)接入外部設(shè)備，恢復(fù)相應(yīng)功能。但研究過程中計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的精密儀器制備以及生物學(xué)方面腦信號(hào)的傳遞與轉(zhuǎn)換都是重要環(huán)節(jié)[9]，而這些環(huán)節(jié)目前仍停留在實(shí)驗(yàn)階段并且很難轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐。

但隨著人工智能與生命科學(xué)的發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)的廣泛應(yīng)用也將成為可能，對(duì)醫(yī)療、救援、軍事、信息等眾多領(lǐng)域產(chǎn)生十分深遠(yuǎn)的影響，對(duì)于國(guó)家戰(zhàn)略性發(fā)展有著重大意義。人們也可將這一技術(shù)與控腦動(dòng)物的研究結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制大腦，達(dá)到對(duì)動(dòng)物的行為進(jìn)行控制的目的[10]。腦機(jī)接口技術(shù)也可應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)、競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、素質(zhì)教育等領(lǐng)域，通過對(duì)不同狀態(tài)下腦電信號(hào)的差異分析，利用特定的軟件進(jìn)行鍛煉，讓大腦更快速地進(jìn)入最好的工作、學(xué)習(xí)或放松狀態(tài)。該技術(shù)的研究與發(fā)展仍然需要各個(gè)領(lǐng)域研究者的共同努力，只有這樣，腦機(jī)接口技術(shù)才有可能早日應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活，并最終惠及大眾。