腦機(jī)接口技術(shù)及其在智能家居中的應(yīng)用

林蘇云

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建省福州市 350108）

1 序言

大腦是人體最為復(fù)雜的器官。人類(lèi)自從有了意識(shí)，就被大腦的神秘吸引，渴望認(rèn)知它的運(yùn)作機(jī)制，從而了解自身，也能更完善的保護(hù)自身。二十世紀(jì)九十年代，人類(lèi)對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)有了快速的發(fā)展和進(jìn)步，這十年稱(chēng)作“大腦的十年”。21世紀(jì)更是一個(gè)“腦”的世紀(jì)，神秘深?yuàn)W的大腦已然是現(xiàn)今科學(xué)界中的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。

自從人們能夠測(cè)量、觀察到腦電信號(hào)以后，人們就開(kāi)始著眼于研究提出能夠分析腦電信號(hào)的方法，希望能夠找到合適的分析手段來(lái)了解大腦的各類(lèi)活動(dòng)，還原出真實(shí)的大腦運(yùn)作機(jī)制。而如今，人們不只是停留在對(duì)腦電和大腦的認(rèn)識(shí)上，還將腦電信號(hào)加以應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)新性的大腦與外部環(huán)境的通訊機(jī)制，稱(chēng)為腦機(jī)接口（Brain Computer Interface,BCI）。BCI 的雛形是70年代美國(guó)的Jacques Vida 開(kāi)發(fā)的二維光標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1]，設(shè)計(jì)的初衷是幫助患有嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的人能夠控制外部的設(shè)備，該系統(tǒng)就是利用了人類(lèi)的腦電作為控制信號(hào)，開(kāi)創(chuàng)了一種全新的與外部環(huán)境交互的通道。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，BCI 研究也在飛速發(fā)展。

2 腦機(jī)接口技術(shù)

腦機(jī)接口（Brain Computer Interface,BCI）是大腦與計(jì)算機(jī)間的通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)允許大腦不依賴(lài)常規(guī)輸出通路的條件下向外部環(huán)境發(fā)送信息或命令。完整的腦機(jī)接口系統(tǒng)由信號(hào)采集、特征提取、特征分類(lèi)和外部控制設(shè)備四部分組成[2]。BCI 的主要設(shè)計(jì)與操作如圖1所示，大腦的信號(hào)由安放在頭皮或頭部的電極采集，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以提取出信號(hào)的特定特征（例如，誘發(fā)電位的幅值，感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的節(jié)律，皮層神經(jīng)的放電速率），這些特征都可能蘊(yùn)含著使用者的意圖，因此可以把這些特征轉(zhuǎn)換為能夠操作外部設(shè)備的命令（例如，簡(jiǎn)單的字符處理程序，輪椅，或者神經(jīng)假肢）。BCI 系統(tǒng)的成功關(guān)鍵在于用戶(hù)和系統(tǒng)對(duì)于交互的自適應(yīng)，用戶(hù)要提高其意圖與信號(hào)特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系，BCI 系統(tǒng)要能夠選擇出用戶(hù)能夠控制的特征，并且高效和精確得把這些特征轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以識(shí)別的命令[3][4]。

圖1：BCI 系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)與操作

2.1 信號(hào)的采集

BCI 系統(tǒng)的輸入主要是由頭皮、大腦皮層測(cè)量到的腦電信號(hào)或大腦內(nèi)部測(cè)量到的神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)。因此，BCI 系統(tǒng)在這個(gè)層面上可以分為入侵式BCI 系統(tǒng)與非入侵式BCI 系統(tǒng)。他們也可以根據(jù)輸入是誘發(fā)電位還是自發(fā)腦電活動(dòng)來(lái)分類(lèi)。誘發(fā)電位（例如，由閃爍字符誘導(dǎo)產(chǎn)生的EEG 信號(hào)）需要由特定的感覺(jué)刺激來(lái)激發(fā)產(chǎn)生。自發(fā)腦電活動(dòng)（例如，運(yùn)動(dòng)皮層的EEG 節(jié)律）不需要由BCI 系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生這樣的刺激。在BCI 系統(tǒng)的信號(hào)采集部分，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)記錄電極，放大器并被數(shù)字化以后才能進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。隨著腦電采集設(shè)備近年來(lái)不斷優(yōu)化，腦電信號(hào)的采集也變得更為精確和方便。

2.2 信號(hào)處理：特征提取

數(shù)字化后的腦電信號(hào)緊接著需要進(jìn)行一些特征提取的步驟，特征提取能夠從腦電信號(hào)中獲得一些有用的信息，利用這些信息可以對(duì)大腦的不同狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分，BCI 系統(tǒng)能夠使用時(shí)域信息（例如，誘發(fā)電位的幅值或神經(jīng)元放電速率）或頻域信息（例如，mu或beta 節(jié)律的幅度），也可以同時(shí)使用信號(hào)的時(shí)域與頻域特征來(lái)提高它的性能。常用的特征提取算法有：FFT ( Fast Fourier Transform Algorithm)、相關(guān)性分析、AR (Auto Regression)、參數(shù)估計(jì)、CSP (Common Spatial Patterns)、Butter2worth 低通濾波、遺傳算法等。近些年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、小波分析等分析方法也取得了一定的進(jìn)展。這些分析方法能夠提取到信號(hào)的特征并且將它們編碼成使用者的消息或命令。選擇何種特征提取算法通常與所利用的腦電信號(hào)和采集信號(hào)時(shí)電極安放的位置有關(guān)。

2.3 信號(hào)處理：特征轉(zhuǎn)換

信號(hào)處理的最終目標(biāo)是要從信號(hào)中判斷出使用者的意圖并執(zhí)行。信號(hào)處理的前半部分只是簡(jiǎn)單的將信號(hào)特征提取出來(lái)，接著需要進(jìn)行特征轉(zhuǎn)換，才能將原始信號(hào)變?yōu)槭褂谜呦胍l(fā)出的設(shè)備命令。特征轉(zhuǎn)換算法可以使用線(xiàn)性方法，也可以使用非線(xiàn)性方法。BCI 轉(zhuǎn)換算法把信號(hào)特征轉(zhuǎn)換為具體的控制命令。

2.4 輸出設(shè)備

當(dāng)前的大多數(shù)BCI 系統(tǒng)，輸出設(shè)備都是電腦屏幕，輸出主要是目標(biāo)，字符或圖標(biāo)的選擇。對(duì)選擇的指示有多種方式（例如，字符閃爍等）。一些BCI 系統(tǒng)還提供連續(xù)性輸出，例如光標(biāo)朝向預(yù)先給定的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。這種輸出不只是作為一種目標(biāo)，還是對(duì)大腦的一種反饋，使得大腦能夠維持和提高它的準(zhǔn)確率以及通信效率。最初的研究也嘗試著用BCI 來(lái)控制神經(jīng)假肢以及神經(jīng)康復(fù)，主要是提供給頸部脊髓損傷的人來(lái)控制手部的關(guān)閉?，F(xiàn)如今，腦機(jī)接口的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量高要求，家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逐漸朝著智能化、便利和以人為本發(fā)展，基于腦機(jī)接口的智能家居系統(tǒng)也逐漸成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

3 腦機(jī)接口在智能家居中的應(yīng)用

基于腦電控制的智能家居系統(tǒng)主要分為3 類(lèi)：

（1）基于運(yùn)動(dòng)想象腦電控制的智能家居系統(tǒng)，即采集想象肢體運(yùn)動(dòng)的腦電信號(hào)的波形圖，對(duì)這些腦電信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)行智能家居的控制；

（2）基于P300 的智能家居系統(tǒng)，利用使用者對(duì)小概率出現(xiàn)的刺激誘發(fā)的P300 電位來(lái)進(jìn)行智能家居的控制；

（3）基于SSVEP 腦機(jī)接口控制的智能家居系統(tǒng)，當(dāng)人注視以一定頻率閃爍的目標(biāo)圖片時(shí)，檢測(cè)腦電波中出現(xiàn)的和刺激頻率相關(guān)的譜峰，以此來(lái)判斷人的意圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。

3.1 基于運(yùn)動(dòng)想象腦電控制的智能家居系統(tǒng)

腦電信號(hào)根據(jù)被試者是否在外界刺激下誘發(fā)，可以分為自發(fā)腦電信號(hào)和誘發(fā)腦電信號(hào)。運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)就是一種自發(fā)的腦電信號(hào)，只需要人進(jìn)行對(duì)運(yùn)動(dòng)的想象，腦電波就會(huì)呈現(xiàn)出一定的特征?；谶\(yùn)動(dòng)想象腦電控制的智能家居系統(tǒng)一般采用想象左手運(yùn)動(dòng)和想象右手運(yùn)動(dòng)的腦電信號(hào)，黃旭彬等人[5]研究的基于運(yùn)動(dòng)想象腦電控制的智能家居系統(tǒng)就是以左右手運(yùn)動(dòng)意圖信號(hào)為例，采用 G.TEC公司的 g.MOBIlab 設(shè)備+ EEG 信號(hào)放大器對(duì)EEG 信號(hào)進(jìn)行采集，利用小波變換實(shí)現(xiàn)噪聲抑制，提取二維功率譜特征，利用SVM 分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。王增尉等人[6]提出的一種基于腦機(jī)接口、腦電信號(hào)識(shí)別分類(lèi)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能家居解決方案，該方案對(duì)采集的腦電信號(hào)使用小波變換去除噪聲，使用短時(shí)傅里葉變換進(jìn)行特征提取，使用主成分分析進(jìn)行降維和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類(lèi)，以此得到分類(lèi)模型。數(shù)據(jù)通過(guò)分類(lèi)模型即可得到分類(lèi)結(jié)果，根據(jù)分類(lèi)結(jié)果判斷大腦的意圖，將意圖轉(zhuǎn)換為控制家居設(shè)備的控制命令，以此對(duì)家居進(jìn)行控制，結(jié)合AR 技術(shù)能使控制過(guò)程變得可視化和更加有交互性。該方案可以有效實(shí)現(xiàn)大腦對(duì)家居設(shè)備的控制，具有實(shí)用性。李逸軒等人[7]提出了一種基于可穿戴式腦電設(shè)備的智能家居控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要核心技術(shù)是讓受試者頭戴便攜式腦電設(shè)備進(jìn)行腦電信號(hào)的采集，將采集到的腦電數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)使用獨(dú)立向量分析法去除偽跡成分，使用共空間模式進(jìn)行特征提取，得到具有較高區(qū)分度的特征向量，然后使用支持向量機(jī)模型對(duì)特征進(jìn)行分類(lèi)，將分類(lèi)結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制外部設(shè)備的控制命令，從而完成對(duì)家居的控制。在該系統(tǒng)中，想象左手運(yùn)動(dòng)與想象右手運(yùn)動(dòng)分別對(duì)應(yīng)當(dāng)前電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與電器的切換，系統(tǒng)詳細(xì)流程圖如圖2所示，將想象左手運(yùn)動(dòng)與想象右手運(yùn)動(dòng)的腦電信號(hào)分類(lèi)后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為嵌入式的指令，通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈、風(fēng)扇、加濕器等電器的控制。

圖2：基于可穿戴式腦電設(shè)備的智能家居控制系統(tǒng)詳細(xì)流程圖[7]

3.2 基于P300腦機(jī)接口控制的智能家居系統(tǒng)

P300 一般由在一系列刺激中突然出現(xiàn)的小概率的，對(duì)被試而言熟悉的，有意義的刺激誘發(fā)，通常表現(xiàn)為在刺激呈現(xiàn)后 300-800ms 的正波。P300 電位是腦機(jī)接口中經(jīng)常使用的信號(hào)，它應(yīng)用于腦機(jī)接口有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：首先是受試者不需要進(jìn)行訓(xùn)練即可誘發(fā)出P300 電位；其次是由于P300 的延遲很短，所以單次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間也可以很短[8]；再次是P300 的腦機(jī)接口的適用性強(qiáng)[9]，用戶(hù)會(huì)比較容易掌握使用基于P300 的腦機(jī)接口系統(tǒng)的使用方法。王金甲等人[10]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于P300 控制的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。該系統(tǒng)采用奧地利g.tec 公司生產(chǎn)的g.MOBIlab+EEG信號(hào)放大器采集腦電信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙連接方式將腦電數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上采用美國(guó)Wadsworth 中心的BCI2000 開(kāi)源軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，包括信號(hào)顯示、特征提取、特征分類(lèi)，轉(zhuǎn)換為對(duì)家居設(shè)備的控制命令，最后采用單片機(jī)的無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)對(duì)家庭中的電器、燈光、安防等進(jìn)行直接控制。該系統(tǒng)將受控制的家居設(shè)備的圖片或文字組成P300 刺激界面，使用者在刺激界面的閃爍過(guò)程中，集中注意力注釋想要控制的設(shè)備圖片或文字，特征提取采用針對(duì)同一個(gè)刺激事件的15 輪腦電數(shù)據(jù)段進(jìn)行疊加平均，特征分類(lèi)采用逐步線(xiàn)性判別方分析方法，一旦判斷誘發(fā)出P300 電位即對(duì)該設(shè)備進(jìn)行開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的切換。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、易于擴(kuò)展。

圖3：P300 腦機(jī)接口控制智能家居的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖[10]

3.3 基于SSVEP腦機(jī)接口控制的智能家居系統(tǒng)

腦電信號(hào)的研究中也廣泛使用視覺(jué)誘發(fā)電位，視覺(jué)誘發(fā)電位簡(jiǎn)單、方便，當(dāng)視覺(jué)注視閃爍的圖片或者光時(shí)，會(huì)誘發(fā)腦電信號(hào)的電位發(fā)生變化，這些電位的變化就是視覺(jué)誘發(fā)電位(Visual Evoked Potential,VEP)。當(dāng)這個(gè)閃爍是以一個(gè)固定的頻率進(jìn)行時(shí)，大腦的電位活動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)與刺激頻率相關(guān)（刺激頻率的基頻或倍頻處）的連續(xù)的響應(yīng)，這個(gè)響應(yīng)就是穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位(SSVEP)，具有和視覺(jué)刺激類(lèi)似的周期性節(jié)律。因此SSVEP 信號(hào)在腦電信號(hào)中表現(xiàn)為在功率譜上出現(xiàn)和視覺(jué)刺激頻率相關(guān)的譜峰，通過(guò)檢測(cè)腦電信號(hào)譜峰處所在的頻率是否在視覺(jué)刺激頻率的基頻和倍頻上，可以分析出使用者注視的刺激源，以此來(lái)判斷使用者的意圖。顯然，在設(shè)計(jì)刺激界面時(shí)界面中不同設(shè)備圖片的閃爍頻率之間不應(yīng)該出現(xiàn)偶數(shù)倍頻，否則將無(wú)法區(qū)分由哪個(gè)刺激引起。周福超[11]設(shè)計(jì)的基于腦電信號(hào)的智能家居系統(tǒng)，就是采用SSVEP 腦電信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)采用軟件來(lái)設(shè)計(jì)刺激界面，通過(guò)在MATLAB 上安裝Psychtoolbox 來(lái)編程設(shè)計(jì)視覺(jué)刺激器。信號(hào)處理采用快速傅里葉變換對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行頻域上的分析。在智能家居控制模塊，采用三星的S5P6818 芯片，搭建相關(guān)的輔助電路和軟件編程，將分類(lèi)結(jié)果轉(zhuǎn)換為設(shè)備的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。

4 腦機(jī)接口在智能家居的應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

腦機(jī)接口在智能家居中的應(yīng)用主要存在以下難點(diǎn)與挑戰(zhàn)：

（1）腦電信號(hào)會(huì)受到年齡差異、個(gè)體差異、情緒、外界刺激等多種因素的影響。有研究表明，年齡越小，腦電信號(hào)的快波減少，漫波增加，基線(xiàn)不穩(wěn)；年齡越大，腦電信號(hào)的快波增加，漫波減少；50 歲之后的腦電信號(hào)漫波有所回升，基本頻率慢波化。在情緒和外界刺激方面，不同的情緒可能引起不同種類(lèi)的腦電波活動(dòng)增長(zhǎng)。腦部相關(guān)疾病導(dǎo)致的病理變化也會(huì)在大腦各個(gè)區(qū)域的腦電圖上表現(xiàn)出來(lái)，一般情況下，存在疾病的部位會(huì)觀測(cè)到完全不同的病理波形。因此，如何將這些影響腦電波的因素納入考慮，使得腦機(jī)接口控制系統(tǒng)能更廣泛的被各種人群使用，還需要進(jìn)一步探討。

（2）如何提高基于腦機(jī)接口的智能家居系統(tǒng)的舒適性，例如最少需要放多少電極，刺激模式上需要如何設(shè)計(jì)界面，刺激持續(xù)的時(shí)間與間隔，閃爍的頻率等等。提高人機(jī)交互的舒適性，能夠符合用戶(hù)的習(xí)慣都是需要解決研究的問(wèn)題。

（3）目前腦電數(shù)據(jù)的處理一般都需要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，使得整套設(shè)備缺乏便攜性。因此如何使基于腦機(jī)接口的智能家居控制系統(tǒng)能夠獨(dú)立于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，讓便攜式處理器來(lái)進(jìn)行腦電的信號(hào)處理，指令傳遞，輸出家電控制信號(hào)，從而提高腦機(jī)接口控制系統(tǒng)的便攜性，減少設(shè)備體積、功耗，也是具有挑戰(zhàn)性和有價(jià)值的研究。

（4）目前大多數(shù)基于腦機(jī)接口的智能家居系統(tǒng)只采用單一種類(lèi)的腦電信號(hào)，如何利用多種腦電信號(hào)設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)多個(gè)智能動(dòng)作的智能家居系統(tǒng)，并保證能正確識(shí)別、提取、和分類(lèi)腦電信號(hào)，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的設(shè)備控制命令，也是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

（5）腦電信號(hào)對(duì)噪聲敏感，且用戶(hù)在使用之前需要進(jìn)行大量的訓(xùn)練，如何提高腦電識(shí)別的精度，通過(guò)參數(shù)的自我調(diào)節(jié)來(lái)消除系統(tǒng)的差異性，增強(qiáng)自適應(yīng)，使得不同使用者在不同的環(huán)境下，能夠減少訓(xùn)練時(shí)間，擴(kuò)大使用范圍，也是有一項(xiàng)十分有價(jià)值的研究，讓腦機(jī)接口控制系統(tǒng)服務(wù)于更多有需求的人，應(yīng)用到更多需求的環(huán)境中去。腦機(jī)接口技術(shù)正強(qiáng)有力地推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)如今已是各個(gè)國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地。我國(guó)已經(jīng)在腦機(jī)制的基礎(chǔ)研究、腦疾病的早期診斷與干預(yù)、類(lèi)腦智能器件這三個(gè)領(lǐng)域取得了一些國(guó)際領(lǐng)先的成果，這些都為腦機(jī)接口的繼續(xù)發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

總而言之，腦機(jī)接口技術(shù)在智能家居控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是存在許多瓶頸，需要各個(gè)學(xué)科的研究人員共同合作，促進(jìn)基于腦機(jī)接口的智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展，提高精確性、便攜性、使用性，造福更多需求者。