腦機接口技術(shù)及其在智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用研究＊ 1

文/陳雪 胡沛霖 林琛堯

0 引 言

人腦作為人體最為復(fù)雜的器官，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。1924年，德國醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現(xiàn)了腦電波，人們在觀察并能夠測量到腦電信號以后，就開始注意到意識是可以被轉(zhuǎn)化為電子信號而讀取的。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，大量研究開始著眼于通過合適的分析腦電信號的方法了解大腦活動，從而還原出大腦運作機制。

1 腦機接口技術(shù)

隨著神經(jīng)科學、生物兼容性材料、傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的進步，腦機接口技術(shù)（brain-computer interface, BCI）逐步發(fā)展起來。腦機接口技術(shù)，是指在大腦與外部環(huán)境之間建立一種全新的、不依賴于外周神經(jīng)和肌肉的交流與控制通道，通過將活的神經(jīng)組織與人造設(shè)備直接連接，實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交互溝通，從而達到控制機器設(shè)備，發(fā)揮監(jiān)測、替代、改善/恢復(fù)、增強、補充等作用。

完整的腦機接口系統(tǒng)由信號采集、特征提取、特征分類和外部控制設(shè)備四部分組成。腦機接口技術(shù)的實現(xiàn)路徑首先是通過安放在頭部的電極采集大腦的信號。采集大腦信號的方式分為侵入式和非侵入式，侵入式是指測量電極直接接觸大腦，以便獲取高質(zhì)量信號，但可能造成對大腦較大的損傷；非侵入式是不直接接觸大腦，主要利用頭皮電極帽、超聲、核磁共振成像等技術(shù)對大腦信號進行捕獲。隨后進行數(shù)據(jù)處理，以提取出信號的特定特征，即“破譯”腦信號，獲取腦電波對意識的反應(yīng)。最后通過程序語言把這些特定的特征轉(zhuǎn)換為能夠操作外部設(shè)備的命令，從而控制機器。

腦機接口技術(shù)的雛形，源自20世紀70年代美國的 Jacques J.Vidal 開發(fā)的基于視覺事件相關(guān)電位的腦機接口系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用人的腦電作為控制信號，幫助患有嚴重運動障礙的人去控制外部設(shè)備。

20世紀80年代末至90年代末，腦機接口技術(shù)進入科學論證階段。來自美國和歐洲的少數(shù)先驅(qū)研發(fā)了首個實時且可行的腦機接口系統(tǒng)，并定義了至今仍在采用的幾種主要范式，如：基于運動想象的腦機接口（MI）、基于P300的腦機接口以及基于視覺誘發(fā)電位腦機接口(SSVEP)，開拓了腦機接口領(lǐng)域。

腦機接口技術(shù)作為腦科學和類腦智能研究的重要方向，現(xiàn)已上升為國家的科技戰(zhàn)略重點，并成為未來發(fā)展的核心技術(shù)領(lǐng)域。目前腦機接口技術(shù)的應(yīng)用仍主要集中在醫(yī)學領(lǐng)域，但在增強正常個體感知覺、強化認知、娛樂游戲、汽車和機器人行業(yè)等非醫(yī)學領(lǐng)域，腦機接口的應(yīng)用發(fā)展也正在廣泛展開相關(guān)轉(zhuǎn)化與實踐。

2 腦機接口技術(shù)主要應(yīng)用方向

2.1 醫(yī)療健康

醫(yī)療健康領(lǐng)域，是腦機接口技術(shù)最初和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。該領(lǐng)域的應(yīng)用案例主要集中在“檢測”“改善”“替代”與“增強”，強調(diào)輸出功效，主要包括以下應(yīng)用方向：

一是通過腦機接口系統(tǒng)，完成對人體神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控與測量，輔助醫(yī)療。例如，可應(yīng)用于陷入深度昏迷等僅有微小意識狀態(tài)患者的意識檢測，幫助測量并評定其意識等級；對于存在視/聽覺障礙的患者，亦可用于測量其神經(jīng)通路狀態(tài)，協(xié)助醫(yī)生定位其視/聽覺障礙成因。

二是基于刺激的腦機接口技術(shù)具有神經(jīng)調(diào)控的功效，可用于帕金森疾病、癲癇、輕度認知障礙、阿爾茨海默病、焦慮障礙、抑郁障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和強迫癥等的治療康復(fù)。例如，腦機接口技術(shù)可以從感覺運動的皮層區(qū)采集相關(guān)部位受損的中風病人的腦電信號，然后刺激失能肌肉或控制矯形器；通過腦機接口技術(shù)檢測到癲癇病人大腦神經(jīng)元異常放電后，可以對大腦進行相應(yīng)的電刺激，抑制癲癇發(fā)作；基于運動想象的腦機接口也可用于自閉癥兒童的康復(fù)訓練，提升其對感覺運動皮層激活程度的自我控制能力。

三是基于視覺誘發(fā)電位腦機接口，通過腦控鼠標移動、腦控鍵盤輸入，可作為嚴重運動障礙患者的輔助通信和控制方法，幫助患者與外界溝通。

此外，將芯片植入大腦，以增強記憶、推動人腦和計算設(shè)備的直接連接也是腦機接口系統(tǒng)未來可期的應(yīng)用方向之一。

2.2 智能家居

家居系統(tǒng)的設(shè)計逐漸朝著智能化、便利化和以人為本發(fā)展?；谀X機接口技術(shù)的智能家居系統(tǒng)也越來越成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。如基于運動想象的腦電控制型智能家居系統(tǒng)，通過頭戴便攜式腦電設(shè)備，采集用戶想象肢體運動的腦電信號的波形圖，通過計算機對這些腦電信號進行區(qū)分，去除偽跡成分，將分類結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制命令，進行智能家居的控制。再如，利用使用者對小概率出現(xiàn)的刺激誘發(fā)的 P300 電位來進行智能家居的控制，實現(xiàn)對家用電器的控制，甚至實現(xiàn)對家庭機器人的控制。

2.3 娛樂

腦機接口技術(shù)主要通過為傳統(tǒng)休閑娛樂產(chǎn)品提供附加值和新賣點、為消費者接觸新興腦科技提供觸點，在娛樂領(lǐng)域展開補充功能。這些功能的實現(xiàn)為玩家提供了獨立于傳統(tǒng)控制方式之外的新的操作維度，豐富了娛樂內(nèi)涵、提升了用戶體驗。

2.4 軍事

在軍事方面，腦機接口技術(shù)可以協(xié)助操控各類無人裝備，代替戰(zhàn)士深入危險地區(qū)執(zhí)行任務(wù)；借助腦機接口技術(shù)進行更高效、更保密的軍事通信，提高作戰(zhàn)人員的認知能力；腦控武器是軍事武器自動化、智能化的重要發(fā)展方向，通過腦控和手控相結(jié)合，發(fā)揮士兵個體控制的最大潛能，是提升單兵作戰(zhàn)能力的最有效手段之一；另外，還可以將芯片植入動物偵察兵大腦，由人類遠程控制其行動和偵察路線，擴大偵察范圍和時間等。

2.5 其他

腦機接口技術(shù)在其他方向的應(yīng)用主要針對健康人群的“增強”和“補充”，實現(xiàn)機能的擴展。例如，澳大利亞的 SmartCap 公司通過在棒球帽內(nèi)植入電極，可以實時監(jiān)測用戶的疲勞狀態(tài)，將該功能應(yīng)用于駕駛狀態(tài)監(jiān)測，可以有效降低由于疲勞駕駛而發(fā)生交通事故的概率。在教育領(lǐng)域，腦機接口技術(shù)可對學生注意力表現(xiàn)實時探測，從而幫助教師及時了解課堂情況，實現(xiàn)高效教學；幫助有注意力缺陷的多動癥患者以及正常兒童或成人提升專注力、記憶力和情緒壓力調(diào)節(jié)能力。在市場營銷領(lǐng)域，腦機接口技術(shù)可用于評價觀看廣告、電影和電視等媒體內(nèi)容的觀眾情緒體驗，幫助評估與提升人機交互情景下的用戶體驗程度。

3 智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢

智能可穿戴設(shè)備是指可直接穿在身上或整合到服飾、配件中，且可以通過軟件支持和云端進行數(shù)據(jù)交互的設(shè)備，包括智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡等。其中以智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡最為常見，三者占據(jù)全球可穿戴設(shè)備出貨量的70%以上。智能可穿戴設(shè)備技術(shù)不斷發(fā)展，以及5G 網(wǎng)絡(luò)的空前發(fā)展，將給智能可穿戴運動設(shè)備帶來新的發(fā)展機遇，未來將有廣闊的前景。目前智能可穿戴運動設(shè)備主要應(yīng)用場景有如下方面。

3.1 基礎(chǔ)可穿戴設(shè)備

這類智能可穿戴設(shè)備通常通過低功耗藍牙連接網(wǎng)絡(luò)并進行通信，以實現(xiàn)處理無線通信，還可處理部分應(yīng)用任務(wù)，如用戶界面、操作系統(tǒng)和健身或健康算法的處理。

3.2 智能手環(huán)/手表

智能手表是手機屏幕的延展，不僅擁有可自定義的個性化表盤，同時還肩負著人體健康監(jiān)測的功能，能夠顯示消息通知、進行移動支付、與智能家居聯(lián)動等。智能手環(huán)可以看作是精簡版的智能手表，屏幕更小、功能和配置減少，保留一定的健康監(jiān)測功能，具備基礎(chǔ)的操作交互、震動提醒、健康監(jiān)測等功能。

在各種手表與手環(huán)類產(chǎn)品中，各種健康監(jiān)測類功能，如運動分析、卡路里消耗、睡眠跟蹤、血氧飽和度、心率和心率變異性監(jiān)測等等已經(jīng)非常成熟，被廣泛應(yīng)用。未來產(chǎn)品將走向差異化路線，品牌廠商會相繼持續(xù)推出集成更多健康監(jiān)測類功能的手表和手環(huán)，包括但不限于光電容積脈搏波描記、心電圖、皮膚電活動、身體成分、體脂分析、情緒追蹤、連續(xù)血壓監(jiān)測等等。

3.3 智能耳機

以真正無線立體聲耳機（true wireless stereo，TWS）為代表，在外部完全摒棄了線材連接的方式，主要通過藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線傳輸。TWS耳機與傳統(tǒng)藍牙耳機最大的不同在于，體積小巧、左右耳均內(nèi)置獨立音頻主控芯片、可以單獨連接使用，左右耳無縫切換、兩只耳機共同使用有立體聲效果。

在技術(shù)創(chuàng)新方面，智能耳機亟待解決的技術(shù)依次為：智能自適應(yīng)降噪、人工智能（AI）通話降噪、實時記錄/翻譯功能、語音互動、健康檢測、空間音頻/環(huán)繞立體音、快速充電、語音助手、無線充電等等。此外，未來的耳機需要嘗試把更多智能的、人機交互的應(yīng)用和功能加上去，例如溫度傳感器測溫、測體質(zhì)數(shù)據(jù)等，提供生物識別或健康監(jiān)測功能；還可以添加人工智能用于機器學習，使耳機能夠識別不同的環(huán)境，以自動分類和調(diào)音，以實現(xiàn)助聽、實時翻譯等功能。

3.4 智能眼鏡

目前的智能眼鏡市場，主要是通過把智能音頻與眼鏡的形態(tài)相結(jié)合，使之兼具兩者的功能，既能夠用于時尚裝飾，又具備了開放式的音頻使用體驗。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，智能音頻眼鏡未來將逐漸與視覺技術(shù)進行聯(lián)動，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的部分功能，可以將人對外界的視覺、聽覺封閉，引導用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺，增強沉浸式用戶體驗，提供更豐富的應(yīng)用。此外，智能眼鏡還可以用于監(jiān)控用戶的警覺性，實時監(jiān)測用戶的疲勞狀態(tài)，應(yīng)用于駕駛狀態(tài)監(jiān)測。

綜上，對于智能可穿戴產(chǎn)品，人們總是在追求更小體積、續(xù)航更強以及更舒適、更便利。未來智能可穿戴設(shè)備將朝著以下發(fā)展趨勢不斷發(fā)力：

一是功能向全能型和專用型發(fā)展。智能可穿戴設(shè)備功能從運動監(jiān)測到短信和電話提醒，從游戲、在線教育到全方位健康檢測等，滿足用戶多方面需求的同時，兼顧部分細分市場，針對特定作業(yè)環(huán)境、專項運動以及特定疾病監(jiān)控，開發(fā)精準專用、價格低廉的產(chǎn)品。

二是健康醫(yī)療穿戴設(shè)備將成為主流。基于可穿戴設(shè)備，實現(xiàn)對人體健康的全方位監(jiān)測，甚至達到治療某些疾病的目的，對緩解醫(yī)療糾紛，有效配置短缺的醫(yī)療資源極具重要意義。

三是可穿戴設(shè)備將向著精美、時尚、奢華等裝飾方向發(fā)展，產(chǎn)品應(yīng)用場景和范圍不斷拓寬，產(chǎn)品更具個性化。

4 腦機接口技術(shù)在智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用研究

4.1 醫(yī)療健康

將腦機接口技術(shù)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，實現(xiàn)對人體健康的全面檢測，為用戶健康保駕護航，還可以輔助康復(fù)治療等。例如，由佐治亞理工學院等多個機構(gòu)研究團隊將無線軟頭皮電子和虛擬現(xiàn)實結(jié)合在一個BMI計算器系統(tǒng)中，以實現(xiàn)改善運動功能障礙或癱瘓患者的生活質(zhì)量；Cognixion公司最新研發(fā)的一款設(shè)備，將增強現(xiàn)實（AR）與腦機接口結(jié)合起來，幫助患有復(fù)雜溝通障礙的人進行流暢溝通。將基于刺激的腦機接口技術(shù)用于可穿戴設(shè)備，可廣泛用于帕金森疾病、癲癇、輕度認知障礙、阿爾茨海默病、自閉癥、焦慮障礙、抑郁障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和強迫癥等疾病的治療康復(fù)。

4.2 生活娛樂

隨著各種新材料開發(fā)、設(shè)計元素不斷創(chuàng)新，腦機接口技術(shù)也應(yīng)用于日常生活、健身、運動游戲等。如通過基于刺激P300或者基于想象運動的腦機接口技術(shù)，實現(xiàn)對智能家居的遠程操控，如電燈、窗簾以及熱水器的開關(guān)；在健身或體育鍛煉中佩戴融入腦機接口技術(shù)的“神經(jīng)刺激器”，目前該產(chǎn)品已被美國運動員應(yīng)用于奧運會比賽中；也可以成為未來AR/虛擬現(xiàn)實（VR）的一種交互方式。當前，生活娛樂用品的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出高度的科技化，腦機接口技術(shù)及基于云計算的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展也為可穿戴式智能設(shè)備提供了更為豐富的技術(shù)支持，具有巨大的應(yīng)用潛力。

4.3 教育培訓

通過腦機接口技術(shù)與可穿戴設(shè)備的結(jié)合，實時檢測學生專注力，幫助教師及時掌握課堂動向。通過佩戴智能可穿戴設(shè)備，并通過獨有的腦電波檢測技術(shù)，高精度地捕獲用戶腦電信號，檢測并判斷學生的專注力情況，與桌面端軟件、教材等配合，讓學生專注力更集中。

5 結(jié)語

要實現(xiàn)穿戴設(shè)備的真正智能化，仍面臨著一系列挑戰(zhàn)。一是腦電信號會受到年齡差異、個體差異、情緒、外界刺激等多種因素影響，如何將這些影響腦電波的因素納入考慮，使得腦機接口控制系統(tǒng)能更廣泛地被各種人群使用，還需要進一步探討。

二是現(xiàn)階段腦電數(shù)據(jù)的處理一般都需要通過計算機來完成，使得整套設(shè)備缺乏便攜性，如何讓便攜式處理器來進行腦電的信號處理、指令傳遞、輸出控制信號，從而提高腦機接口控制系統(tǒng)的便攜性，也是具有挑戰(zhàn)性和有價值的研究。

三是大多數(shù)基于腦機接口的智能可穿戴設(shè)備只采用單一種類的腦電信號，如何利用多種腦電信號設(shè)計出對應(yīng)多個智能動作的操作系統(tǒng)，并保證能正確識別、提取和分類腦電信號，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的設(shè)備控制命令，也是一項重大挑戰(zhàn)。

四是腦電信號對噪聲敏感，且用戶在使用之前需要進行大量的訓練，如何提高腦電識別的精度，通過參數(shù)的自我調(diào)節(jié)來消除系統(tǒng)的差異性，增強自適應(yīng)，使得不同使用者在不同的環(huán)境下能夠減少訓練時間，擴大使用范圍，也是有一項十分有價值的研究。

腦機接口技術(shù)正強有力地推動社會的發(fā)展，如今已是各個國家科技競爭的戰(zhàn)略高地。我國已經(jīng)在腦機制的基礎(chǔ)研究、腦疾病的早期診斷與干預(yù)、類腦智能器件這3個領(lǐng)域取得了若干國際領(lǐng)先成果，為腦機接口的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。腦機接口技術(shù)在智能可穿戴設(shè)備中應(yīng)用仍存在許多待解決問題，需要多個學科的研究人員共同合作，提高精確性、便攜性、實用性，造福更多需求者。