脑机接口BCI研究综述概念,算法,应用,未来等问题

汇报人：朱同学,脑机接口BCI研究综述,BCI 基本概念,BCI神经影像方法与控制信号,BCI 分类算法,BCI 模式识别,BCI 应用现状,目录,BCI(brain-computer interface)有时被称为MMI、DNI、STI以及BMI，是一种不依赖于外周神经和肌肉组织等常规大脑信息输出通路，而运用工程技术手段在大脑和计算机或者其他机电设备之间建立直接“让思想变成行动”的对外信息交流和控制新途径。,BCI基本概念,BCI 是一种人脑与设备的共存，其将处理后的信号去控制外部设备，将外部设备作为身体一种自然存在,BCI 被设计完成人体感官恢复，感觉信息传输回大脑活通过人为产生的电信号刺激大脑。,BCI基本概念,图1 BCI 模型,BCI基本概念,图2 BCI 基本处理模型,BCI基本概念|工作原理,图3 BCI 工作模式,BCI基本概念|工作原理,图4 BCI 操控原理图,BCI基本概念|工作原理,图5 BCI 工作模式,BCI神经影像方法与控制信号,表1 神经影像方法汇总,侵入式,侵入式BCI系统是在神经外科手术中直接植入到大脑灰质中 因为芯片植入在灰质中，侵入式装置产生最高质量的BCI系统信号，但容易产生创伤组织的积聚，从而导致该信号变弱，甚至消失。,BCI神经影像方法与控制信号,脑电（EEG）通过在头皮安置检测电极描记所得的数以亿计大脑皮层神经细胞的群体活动在头皮表面感应到电位分布。根据临床电生理学理论，EEG反应了大脑皮质某一特定区域神经细胞群同步的电位差。,BCI神经影像方法与控制信号,半侵入式和非侵入式,脑皮层电图 （ECoG）采集颅骨下方的大脑活动的电信号，与非侵入式的EEG相似，但电极被嵌入在一个放置于皮层上方，硬脑膜下方的薄塑料垫,fMRI = Functional Magnetic Resonance Imaging（功能磁共振成像） 利用携带氧的血红蛋白的磁特性。被激活的大脑部分增加了氧含量，从而提高了含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白间的比率。脑磁图（MEG）检测大脑中所创建的“火”的单个神经元的小磁场。它可以精确定位活动区域（毫米级）并且能够追寻在大脑中传播时的脑活动的运动,BCI神经影像方法与控制信号,半侵入和非侵入,BCI目的是通过检测大脑活动的方法来解释用户的意图。大脑信号涉及众多与认知任务相关的现象。而他们也尚未被理解，初始点亦不可知。然而某些生理现象的脑信号已被人们解码，被视为可能的控制信号。目前在BCI采用的控制信号的讨论如表2所示。,BCI神经影像方法与控制信号,表2 控制信号讨论,BCI神经影像方法与控制信号,BCI 系统分类,此外，根据输入信号产生方式分为：诱发式BCI/自发式BCI，前者需要额外刺激装置（加自身通路），后者完全来自使用者自发脑电（环境、情绪影响）；根据BCI系统工作方式：同步BCI/异步BCI，前者需要在预定时间内进行特定思维活动，后者通信不由系统控制，由用户初始化。,BCI模式识别,不同思维活动产生不同模式的脑信号，BCI被看作一个模式识别系统。设计一个合适的特征集是一个难点。大脑信号隐藏于大量的噪声环境下（在时间、空间中重叠），因此在多数情况下，使用简单的方法（如带通滤波器）是不够的。,脑信号本质上是不固定的。特征出现的时间信息需要获取。一些方法是把信号分割为小段，参数可由每段估计。然而，片段的长度会影响估计的准确性。傅里叶变换在此效果不好，小波变换和自适应回归（）是优选，以揭示大脑信号的非平稳时间变化。另外一种新型的称为静止子空间分析（）被提出用于非平稳信号。,BCI模式识别,表 模式识别方法讨论,BCI模式识别,表 模式识别方法讨论（续）,不良信号（噪声和伪迹）主要分为两类：生理学和非生理学（技术）：前者通常由于肌肉、眼部和心脏活动引起；后者多归因于电力线噪声或者电极阻抗改变。（被试）,系统中分类旨在基于模式识别步骤下所提供的大脑活动特征向量的基础上认知用户的意图。回归和分类算法均可以实现该目标，但分类算法是目前最常用方法。,分类算法,回归算法使用信号提取出的特征作为独立变量去预测用户意图。相反，分类算法将提取出的特征作为独立变量来定义特征空间中不同目标的边间。,图分类与回归区别,分类算法,表 分类方法讨论,许多研究者关注在构建应用系统，以期该项技术可以帮助那些患有严重运动障碍疾病的人们。最近应用的发展主要归功于基于的领域，因为它们提供可接受质量的信号并且低成本、便操作的设备。其应用系统不仅希望提升严重残疾人群的生活质量同样也使得照顾者们减轻生活的繁重。此外，代表着一个可以揭示隐藏在用户脑中不能被表达的信息工具。,应用现状,图应用领域间关系，转换速度和用户能力,的应用主要分为五类：交流；运动修复；环境控制；运动；娱乐；,应用现状,图吃豆子游戏、应用,BRAIN GATE,传感器置于用户脑中，用于获取用户的意图信息,HONDA ASIMo CONTROL,研究人员已经开发了本田公司的阿西莫机器人，人们可以通过思维去控制它,GAMING CONTROL,游戏控制采用可穿戴式无线脑电图为基础的新颖干泡式传感器接口,BIONIC EYE,视觉假体，通常被称为仿生眼，是一种实验视觉装置，帮助部分或者完全失明的或者恢复视力功能,未来.?,结 论,技术： 更加有效的预处理算法 信息传输速率目前还不能满足产品化的需要 一般操作者为了产生可以被识别