腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用前景＊

賈花萍，趙俊龍

（1.渭南師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，渭南714099；2.渭南市中心醫(yī)院）

引 言

腦-計(jì)算機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）系統(tǒng)是在人腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的通信系統(tǒng)，將腦電信號(hào)（EEG信號(hào)）作為系統(tǒng)輸入，輸出的信號(hào)可用于進(jìn)行如控制光標(biāo)上下移動(dòng)、睜眼或閉眼以及控制假肢等操作，也就是人們通常所說(shuō)的“意念控制系統(tǒng)”。運(yùn)用這種方法，人們就可以通過(guò)“動(dòng)腦”來(lái)讓外界知道自己的想法或控制相關(guān)設(shè)備，而不需要多余的語(yǔ)言或動(dòng)作[1]，這種系統(tǒng)為思維正常但有運(yùn)動(dòng)障礙的人提供了與外界交流的機(jī)會(huì)。在腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)中，“腦”是指神經(jīng)系統(tǒng)或者有機(jī)生命形式的腦，而并不僅僅指的是“思想”；“計(jì)算機(jī)”是指任何用于處理或計(jì)算的設(shè)備，可以是硅芯片或者簡(jiǎn)單電路。

一般情況下，人們通過(guò)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)和肌肉組織表達(dá)自己的想法，但是殘疾人或者有運(yùn)動(dòng)障礙的人與外界進(jìn)行交流則需通過(guò)不同的途徑。雖然殘疾人可以通過(guò)假肢得到一定程度的幫助，但是對(duì)于有些并不具備任何肌肉活動(dòng)能力的殘疾人，如完全癱瘓的人和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）患者來(lái)說(shuō)，假肢沒(méi)有任何意義。腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)是人腦與計(jì)算機(jī)或者其他電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道[2]。這種新方式讓有運(yùn)動(dòng)障礙的人能夠直接用“思想”控制外部設(shè)備，給思維能力正常但身體殘疾的人的生活帶來(lái)了極大的方便。

1 腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)

簡(jiǎn)單的說(shuō)，腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)就是將人類的思維和計(jì)算機(jī)結(jié)合，即從人腦到計(jì)算機(jī)之間的一條通信電路。圖1是簡(jiǎn)單（腦-計(jì)算機(jī)）接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)實(shí)體界面如計(jì)算機(jī)界面刺激腦組織傳遞特有的感覺(jué)信息，這種刺激編碼后經(jīng)大腦認(rèn)知，產(chǎn)生特定的目的，通過(guò)大腦命令計(jì)算機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的行為。如浙江大學(xué)2012年12月向世界展示的“腦-計(jì)算機(jī)”研究成果：一只頭上戴著電極帽的猴子，帽子上的電極連在計(jì)算機(jī)上，通過(guò)科研人員的不同指揮，猴子做出了4種不同的手部動(dòng)作（抓、勾、握、捏）。

圖1 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)組成

腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)基本工作原理如圖2所示，包含腦電信號(hào)的采集、分析及控制3部分。來(lái)自外界的刺激信號(hào)會(huì)對(duì)大腦產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)電活動(dòng)（即EEG信號(hào)），EEG信號(hào)與即將發(fā)生的肢體活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，計(jì)算機(jī)對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理及特征提取后，采用各種分類算法識(shí)別EEG信號(hào)，通過(guò)識(shí)別結(jié)果來(lái)判斷出引發(fā)腦電變化的動(dòng)作意圖，計(jì)算機(jī)傳輸信號(hào)并驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，將動(dòng)作意圖轉(zhuǎn)換成機(jī)器的實(shí)際動(dòng)作，這樣有運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人就可以與外界進(jìn)行交流了。

圖2 腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)基本工作原理

2.1 信號(hào)采集

目前，EEG信號(hào)的采集主要有兩種方法：一種是介入式采集，將電極植入腦皮層下，這種方法獲得的EEG信號(hào)噪聲較小，精度較高，能夠精確測(cè)量大腦神經(jīng)元某個(gè)部分的活動(dòng)狀態(tài)，但是腦內(nèi)的電極結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定不能夠得到保證，植入電極的定位和試驗(yàn)安全性也存在問(wèn)題；另一種方法是非介入式EEG信號(hào)采集，該方法用來(lái)測(cè)量頭皮表面的EEG信號(hào)，這種方法更加安全而且試驗(yàn)時(shí)間較短，目前EEG信號(hào)的采集主要是通過(guò)這種方法，但是使用這種方法采集到的EEG信號(hào)噪聲大、精度低。非介入式EEG信號(hào)采集過(guò)程中，確定頭皮電極位置采用的是國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)建議的標(biāo)準(zhǔn)電極安放法—10/20系統(tǒng)法，如圖3所示。

2.2 信號(hào)分析

經(jīng)過(guò)預(yù)處理和離散化后的EEG信號(hào)的特征需要被提取，方法有多種，典型方法有傅里葉變換、時(shí)/頻域分析法、參數(shù)估計(jì)法、低通濾波等，這些特征提取方法的應(yīng)用主要是區(qū)分代表思維任務(wù)的主要特征。如果特征集代表的思維任務(wù)特征相互之間重疊過(guò)多，對(duì)意識(shí)任務(wù)分類難度就會(huì)加大，提取后的特征將作為分類器的輸入。近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析[5-7]、小波分析、遺傳算法、支持向量機(jī)（SVM）、混沌分析等在腦電分類中得到廣泛的運(yùn)用，代表了EEG信號(hào)現(xiàn)代分析方法的新進(jìn)展。

2.3 信號(hào)控制

信號(hào)控制部分的功能是將分好類的信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際動(dòng)作（如開(kāi)關(guān)燈、字母輸入、輪椅控制等），有的系統(tǒng)設(shè)置了反饋環(huán)節(jié)的腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)，可以幫助受試者清楚地了解其思維產(chǎn)生的控制結(jié)果，實(shí)時(shí)反饋能夠明顯提高腦-計(jì)算機(jī)接口的性能。在大腦中，反饋通常考慮到兩種糾正機(jī)制：一種是運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中的在線控制和錯(cuò)誤更正；另一種是學(xué)習(xí)，在一個(gè)或更多動(dòng)作的執(zhí)行后，逐漸產(chǎn)生對(duì)指令的適應(yīng)。在腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)中，對(duì)于用戶獲得腦電反應(yīng)的控制是反饋訓(xùn)練時(shí)必不可少的。腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)基于模式識(shí)別方法和意識(shí)任務(wù)，并沒(méi)有明確要求進(jìn)行反饋訓(xùn)練，但是反饋可以加速學(xué)習(xí)過(guò)程并提高性能。其中，光標(biāo)控制是頗受歡迎的反饋類型，如2002年國(guó)際BCI競(jìng)賽數(shù)據(jù)，一位健康的受試者根據(jù)電腦屏幕的指示將光標(biāo)進(jìn)行上下移動(dòng)，從而得到其皮層慢電位的視覺(jué)反饋。

3 面臨的挑戰(zhàn)

目前，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)仍在不斷發(fā)展，但是，能夠在現(xiàn)實(shí)生活中使用的系統(tǒng)幾乎不存在，大多數(shù)系統(tǒng)還處于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試的階段。通過(guò)研究腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)，人們對(duì)腦電產(chǎn)生的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制有了認(rèn)識(shí)，并且深刻了解了神經(jīng)系統(tǒng)及其大腦功能，為解釋大腦活動(dòng)的本質(zhì)提供了重要線索。腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)還存在著許多問(wèn)題，解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵在于腦電信號(hào)的特征提取和分類。以下是腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)面臨的問(wèn)題：

圖3 10/20電極安放示意圖[4]

①連接到神經(jīng)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致永久性腦損傷，造成感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)的損失，或持續(xù)疼痛。

②病毒的攻擊可能引發(fā)腦部疾病。

兩者舵的使用情況見(jiàn)圖6和圖7，可很直觀地看出，使用指數(shù)函數(shù)修飾的控制器進(jìn)行航向控制時(shí)，動(dòng)舵幅度較模糊控制小很多，通過(guò)使用MATLAB進(jìn)行計(jì)算可以得到，圖6的平均舵角為1.94°，圖7的平均舵角為2.27°，平均舵角下降了0.33°，降幅約為15%,而舵的使用情況在一定程度上可反映出船舶能量的消耗，以及船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中船員的舒適感。所以,使用指數(shù)函數(shù)修飾的航向保持控制器，不僅能夠降低能源的消耗，而且還在一定程度上改善船員的工作生活環(huán)境。

③由于腦電信號(hào)十分微弱，包含眼電、肌電等尾跡，如何減少腦電信號(hào)的干擾成分、提取有效的腦電信號(hào)特征、尋找最優(yōu)的特征提取算法和分類算法。此外，還存在分辨率不高和通信速度慢等問(wèn)題[8-9]。

④腦-計(jì)算機(jī)接口設(shè)備需要用線連接到設(shè)備，是非便攜式的，需要攜帶電腦。

⑤腦-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的速度太慢，有運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人與外界進(jìn)行交流時(shí)，實(shí)時(shí)性要強(qiáng)，要能夠接近正常人間的交流速度。

⑥現(xiàn)有設(shè)備價(jià)格昂貴，不適合普通人購(gòu)買，而且現(xiàn)在應(yīng)用于實(shí)際生活中的較少，大多還處在實(shí)驗(yàn)室階段。

⑦腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的研究要滿足用戶的個(gè)體差異，適應(yīng)用戶的多樣化要求。

⑧腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用時(shí)，要減少電極數(shù)量，降低使用的復(fù)雜程度。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，是很多學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

（1）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

現(xiàn)在，很多腦癱、脊髓損傷、肌肉萎縮、腦中風(fēng)、多發(fā)性硬化等疾病損傷了肌肉或者控制肌肉運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)通路，而腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)可以幫助有運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人用思維控制電腦，讓他們像正常人一樣上網(wǎng)閱讀，進(jìn)行開(kāi)、關(guān)燈等操作。對(duì)于失去肢體的人來(lái)說(shuō)，神經(jīng)假肢技術(shù)可以利用腦電信號(hào)來(lái)控制和支配假肢，該假肢被稱為神經(jīng)假體。同時(shí)，在搶險(xiǎn)、救援及人類沒(méi)有辦法進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域，也可以借助神經(jīng)假體來(lái)完成。

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在中風(fēng)病人和肢體損傷病人的康復(fù)訓(xùn)練中得到了廣泛的應(yīng)用，可以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，BCI護(hù)理機(jī)器人可以從事基本護(hù)理工作，提高殘疾人或老年人的生活質(zhì)量[10]。

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療檢測(cè)方面也有著良好的應(yīng)用前景，麻醉醫(yī)生可以通過(guò)腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)病人的麻醉深度信息，減少或降低麻醉藥物對(duì)病人大腦的損害。

慢性的腦部疾病癲癇主要是由于大腦神經(jīng)元的異常放電引起的暫時(shí)性腦功能失調(diào)，會(huì)引起人的不同行為障礙，如感覺(jué)、意識(shí)和運(yùn)動(dòng)方面。因此，對(duì)癲癇腦電信號(hào)（EEG）的檢測(cè)與記錄、病灶定位、癲癇預(yù)測(cè)（可以做到提前預(yù)防）及癲癇的病情分析具有極其重要的意義，而且在對(duì)多動(dòng)癥及癲癇的治療過(guò)程中，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)也可以有效避免藥物對(duì)病人身體的損害。

腦-計(jì)算機(jī)接口專家加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)學(xué)副教授Jose Carmena通過(guò)在鼠類上植入腦機(jī)接口研究大腦神經(jīng)回路。2014年，他參與了美國(guó)軍方7 000萬(wàn)美元的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目通過(guò)大腦植入物分析、控制情緒，來(lái)治療美國(guó)士兵的多種精神疾病，未來(lái)將可以大大降低因精神疾病造成的自殺事件[11]。

在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)假體方面，腦-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用包括：人工電子耳蝸、腦干植入、合成視覺(jué)、人造硅視網(wǎng)膜等。

（2）非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

腦-計(jì)算機(jī)接口系統(tǒng)可以為人們提供一種全新的娛樂(lè)方式，如用思維玩電子游戲。通過(guò)腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)，人們通過(guò)“意念或思維”控制鼠標(biāo)、鍵盤或操作桿來(lái)完成電子游戲或進(jìn)行機(jī)器人足球賽等[12]。

在交通領(lǐng)域，利用腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車、火車、飛機(jī)等，《神經(jīng)工程學(xué)》雜志報(bào)道，用思維來(lái)控制直升機(jī)航模，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的飛行，其躲避障礙物的成功率高達(dá)90%[13]。

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)不僅給殘疾人帶來(lái)了很大的幫助，而且為正常人提供了“第三只手”，在雙手被占用的情況下，讓人們可以根據(jù)特殊環(huán)境的需要，進(jìn)行一些多目標(biāo)的并行控制操作，充分發(fā)揮人的潛能[14]。

除此而外，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)還可應(yīng)用在智能家居等領(lǐng)域。

結(jié) 語(yǔ)

腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)發(fā)展30余年來(lái)，已經(jīng)成為各學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涉及多個(gè)交叉學(xué)科的綜合研究，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、人工智能、康復(fù)工程等領(lǐng)域。但隨著技術(shù)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)在未來(lái)將會(huì)使人們?cè)跍贤ㄊ侄?、行?dòng)方式、生活方式等方面發(fā)生巨大的變革。

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