脑机接口系统介绍NeuroscanBCISystem

1、*今天，若是我们想要看电视，我们需要用手控制遥控器；我们想控制电脑，也必须使用双手。但是，也许有一天，我们能够改变这所有，由于在不远的将来，人类与机器能够直接对话，不需经过肢体，只要要思想。这是在做梦吗？不，这是一项新技术“脑机接口”。脑机接口（Brain-computerInterface，以下简称BCI），是近来几年来发展起来的一种人机接口，它不依赖于大脑的正常输出通路（即外面神经和肌肉组织），就可以实现人脑与外界（计算机或其他外面装置）直接通信的系统。广义上讲，这种通信也能够是双向的，一方面外界的信息（声音、需要记忆的内容等）能够直接传入大脑，比方电子耳蜗、大脑记忆芯片等；另一方面大脑能

2、够直接控制外界环境，本文介绍的是后者。BCI技术的出现，使得用大脑信号直接控制外界环境的想法成为可能。要想实现BCI，有三个必要条件：第一，必定有一种能够可靠反响大脑思想的信号；第二，这种信号能够被实时且快速的收集；第三，这种信号有明确的分类。当前可用于BCI的人脑信号有：EEG（脑电图），EMG（脑磁图）和fMRI（功能性核磁共振图象）等。当前大多数BCI研究机构采用的大脑信号是EEG。人类的每一闪思想，每一种情绪，每一个想法，在大脑中都会产生特定的EEG信号，这种信号由千百万个神经元共同产生，并在大脑内流传。不相同思想情况下产生的神经电活动信号表现出不相同的时空变化模式，会以致EEG信号的

3、不同，将检测到的EEG信号传达给计算机或相关装置，经过有效的信号办理与模式鉴识后，计算机就能鉴识出使用者的思想状态，并完成所希望的控制行为，比方搬动光标、开门、打字和开机等。*一、基根源理1.1BCI系统的基本结构BCI系一致般都具备信号收集，信号解析和控制器三个功能模块。（1）信号收集：受试者头部戴上一个电极帽，收集EEG信号，并传达给放大器，信号一般需放大10000倍左右，经过预办理，包括信号的的滤波和A/D变换，最后转变成数字信号储藏于计算机中。（2）信号解析：利用ICA、PCA、FFT、小波解析等方法，从经过预办理的EEG信号中提取与受试者妄图相关的特定特点量（如频率变化、幅度变化等）

4、；特点量提取后交给分类器进行分类，分类器的输出即作为控制器的输入。（3）控制器：将已分类的信号变换为实质的动作，如在显示器上的光标搬动、机械手运动、字母输入、控制轮椅、开电视等。有些BCI系统还设置了反响环节（如图1中所示），不但能让受试者清楚自己的思想产生的控制结果，同时还能够够帮助受试者依照这个结果来自主调整脑电信号，以达到预期目标。BCI系统基本结构*1.2BCI分类BCI系统没有固定模式，有多种分类方式：（1）依照信号获得的方式不相同可分为有创伤系统和无创伤系统两种。有创伤系统需要将电极放置于大脑内部，收集大脑内部的电信号，此法更精确，但有必然创伤风险；当前绝大多数BCI系统为无创伤系

5、统，毋需着手术，只要在受试者头上戴上电极帽以记录EEG信号，没有创伤风险。（2）依照信号控制的方式不相同可分为同步系统和异步系统。同步系统要求受试者必定在特定的时间产生特定的思想意识，这样便于信号解析，当前大多数BCI系统属于同步系统,一般用于初始阶段；异步BCI系统则不限制受试者何时产生特定的思想意识，系统自动判断并完成相应的控制，受试者能够为非作歹经过思想来完成对外界的控制。真切合用的BCI系统是异步系统。（3）依照信号办理的实时性可分为在线系统和离线系统。在线BCI系统中，信号采样、办理、解析和控制都是实时实现的，同时给受试者反响,大多数BCI系统是在线系统；离线BCI系统实时记录EEG

6、数据，离线解析这些数据，一般来说离线BCI系统只用来评估测试和抽取特点量。（4）依照所采用的脑电信号的不相同可分为基于P300的BCI、基于慢皮层电位（SCP）的BCI、基于视觉引起电位（VEP）的BCI、基于事件相关电位ERP）的BCI等。当前的BCI系统大多是在线的、同步的和无创伤系统。二、方法2.1EEG信号采样及储藏（1）电极*当前多数采用依照国际1020系统设定好电极地址的电极帽来提取EEG信号。（2）电极数目的确定和地址的选择在BCI研究中，需要确定测量EEG信号的电极的数目。很多的电极数目，在提高EEG信号定位的正确性的同时增加了办理的复杂度，建议使用尽可能少的电极。电极地址的选

7、择取决于BCI系统自己的要求及与EEG信号特点变化相关的脑区。（3）预办理信号收集过程中，会夹杂搅乱，常有的有市电搅乱、眼动搅乱、声音搅乱等，必定经过某种方式减弱或除去搅乱，同时保证原有信号成分特点不被改变。（4）储藏经过电极帽收集的信号是模拟信号，在输入到计算机办理从前，必定经过A/D板将其转变成数字信号，以便储藏在计算机内进一步解析办理。2.2BCI研究中采用EEG信号的种类（1）P300P300是一种事件相关电位，其峰值大概出此刻事件发生后300毫秒，相关事件发生的概率越小，所惹起的P300越明显。（2）视觉引起电位视觉器官碰到光或图形刺激后，在大脑特定部位所记录的EEG电位变化，称之为

8、视觉引起电位（VEP）。（3）事件相关同步或去同步电位*单边的肢体运动或想象运动,对侧脑区产惹祸件相关去同步电位（ERD）,同侧脑区产惹祸件相关同步电位（ERS）。（4）皮层慢电位皮层慢电位（SCP）是皮层电位的变化，连续时间为几百毫秒到几秒，实验者经过反响训练学习，能够自主控制SCP幅度产生正向或负向偏移。（5）自觉脑电信号在不相同的意识状态下，人们脑电中的不相同节律表现出各异的活动状态。按照所在频段的不相同分类，一般采用希腊字母（、）来表示不相同的自发EEG信号节律。比方节律在8-13Hz频段，而节律则在13-22Hz频段。采用以上几种脑电信号作为BCI输入信号，拥有各自的特点和限制。P3

9、00和VEP都属于引起电位，不需要进行训练，其信号检测和办理方法较简单且正确率较高，不足之处是需要额外的刺激装置供应刺激，而且依赖于人的某种知觉（如视觉）。其他几类信号的优点是能够不依赖外面刺激即可产生，但需要大量的特别训练。BCI所使用的EEG信号信号名称描述m波都是一种8-12Hz的自觉EEG，它与运动相关，在感觉运节律动皮层记录幅度最大，幅度大小能够经过训练人为控制。事件相关同步/运动相关的频率域加强或减弱，在运动皮层记录幅度最大。受试去同步电位者能够经过训练改变相关频率段信号幅度，甚至在受试者想象运（ERS/ERD）动，但实质上没有运动时也存在。*慢皮层电位EEG信号较大的正向或负向偏

10、移，时程在300毫秒至几分钟。受（SCP）试者能够经过训练产生这种偏移。引起电位的EEG信号的正向偏移，在刺激后300-400毫秒达到峰值。在中P300成分央顶叶地域能够记录到最大幅度，不需要训练。短时程视觉诱短时程视觉刺激所惹起的脑电变化，最大幅度出此刻枕区，不需发电位（VEP）要训练。稳态视觉引起特定频率段视觉刺激惹起的脑电变化，能够经过刺激调整脑电变电位(SSVEP)化幅度，进而达到控制外界的目的。2.3训练时到此刻日，大多数BCI研究主要集中于技术层面的研究，即如何更好地采集、办理和分类EEG信号。但是，EEG信号的产生者是人，而不是机器，他（她）的一举一动都可能会对实验产生影响。因此

11、，BCI实验中对受试者的训练也是值得关注的。如何对受试者进行训练呢？也就是说，我们用什么实验方案？不相同的BCI系统采用不相同的实验方案。一般来讲，方案几个阶段，每个阶段又分成若干小节，每一小节大概连续几分钟，每个方案可能会连续半个小时到几个小时。某些BCI系统基于事件引起电位的，如P300或VEP，其实不需要训练，受试者依照指示就能启动实验。平常，为了实验能够顺利睁开，在初次实验前，对受试者都要进行训练，可是时间长短而已。训练的时间和过程因BCI系统和受试者而异。在某些BCI系统中，用户必定认识如何自主调治自己的EEG信号幅度，*这时训练是必不可以少的，而且训练时间可能会很长；在基于模式识其

12、他BCI系统中，训练重视于获得相应的参数；在基于操作条件方法的BCI系统中，可能需要受试者屡次训练，可能长达数月才能达到预计的收效。Neuroscan脑电系统2.4反响大多数BCI系统是需要反响的，最常有的反响形式是光标控制，受试者把光标移到指定目标地址，只能使用上/下或左/右两组命令。一开始，光标在屏幕中央，每一节以光标碰到目标地址或相反地址为结束。当碰到目标地址，光标会闪烁，说明成功；这种反响能够加强受试者妄图念操作光标的信心。光标控制供应的反响是连续性反响，受试者能够亲眼看到自己意念驱动光标在搬动，如方向不对能够实时调整。在BCI系统中，特别是基于操作条件的BCI系统中，反响是必要的，受

13、试者需要知道哪一种意念能够搬动光标朝哪个方向运动，反响既有好处也有负面影响。、好处：*（1）激励连续性实验的动力。看不到结果的实验令人沮丧，不断看到自己能妄图念控制光标朝目的地搬动无疑是一种巨大的激励。（2）吸引受试者的注意力。不断有进展，会使受试者倍感兴趣，注意力不易分别。（3）供应反响给信号办理模块，加强系统的牢固性和正确性。、负面影响（1）反响可能会惹起意念“不纯”。反响会使受试者会产生实验以外的意念，进而使收集的EEG信号其实不可是反响实验的内容。（2）反响的结果会对受试者EEG信号有影响。如光标搬动中，正确的移动会使受试者加快搬动速度；错误的搬动会使受试者沮丧，两者都会对EEG信号产

14、生影响。（3）视觉刺激反响可能会影响?节律。Scan收集解析软件2.5算法BCI的算法是指在信号办理阶段，能够将BCI输入的信号转变成对实质装*置进行控制的命令的一系列信号办理算法，也就是说，这些算法能够从当前使用者的脑电信号获得抽象的特点向量，并将这些向量转变成决定设备控制的命令。一般来讲，这些特点量是包括在特定的频率段内，若是某一特点量代表的思想状态过多，交织过大，使用这一特点量就很难区分不相同思想状态；反之，若是某一特点量能够严格区分不相同思想状态，使用这一特点量就能拥有很好的功能。总之，无论采用哪一种算法，都以实现最优的性能及优异的合用性为目的。下面简单介绍几种在信号办理阶段实质用到的

15、算法：（1）独立重量解析（ICA）在脑机接口解析中的应用ICA方法可从脑电信号中分别出各种不相同的独立重量。在进行预办理此后，能够既而经过设计实验，如进行鼠标搬动、手的想象搬动、开灯等，对脑电信号进行特点解析和提取，提取进行这些实验时的脑电信号特点，从中发现与之相对应的牢固的思想脑电独立重量模式，进而用于BCI信号的分类。（2）小波变换对信号进行小波分解，解析EEG信号的分布特点，选择EEG信号能量相对集中且能较好地反响信号主要特点的频带设计小波时频滤波器。小波变换能准确快速地提取出有明显特点的EEG信号，有利于提高脑机接口通信速度及正确率。（3）遗传算法（GeneticAlgorithm，G

16、A）用遗传算法对特点信号进行分类时，要从检测到的脑电信号中抽提出大量的特点信号，尔后经过遗传算法去除伪特点信号，保留适用的特点信号作为驱动信号。这种算法的特点是要对特点信号进行大量的解析运算，从中找到各种特点*参数，尔后从中挑取最优的部分，算法的运算量较大。还有其他很多算法，如人工神经网络、贝叶斯-卡尔曼滤波、线性鉴识分析等，在此就不一一阐述。三、研究现状正式研究BCI的时间到此刻不足20年，当前绝大多数BCI研究处于实验室研究阶段，还没有大规模商业应用。1999年和2002年两次BCI国际会议的召开以及2006年立刻召开的第三届BCI国际会议，为BCI的发展推波助浪。下面是一些国际上BCI研

17、究有影响的实验室：1、奥地利Graz理工大学Pfurtscheller等人采用事件相关同步/去同步(ERS/ERD)电位作为BCI信号输入。在这套系统中，受试者能够控制光标的搬动。2、美国Wadsworth中心Wolpaw等人训练受试者自由调治自己?节律，并经过?节律的变化来实现光标搬动、字母拼写和假肢控制等功能。由于灵便控制自己?节律变化比较困难，因此其实不是每个受试者都能学会使用这套装置。3、德国Tbingen大学Birbaumer等人设计了一个名为思想翻译器（ThoughtTranslationDevice，TTD）的装置，经过慢皮层电位（SCP）的变化来实现对外界的控制，使用视觉反响，

18、实现了字母拼写等功能。、美国伊利若斯大学Farwell和Donchin采用P300引起电位作为BCI信号输入。在计算机显示屏上显示一个6?6包括36个字母的格子，使用者要求选择一个特定字母，*每行和每列都在闪烁，频率为10Hz，计算对每行和每列闪烁的平均反响，测量P300幅值。对包括特定字母的行和列的反响幅度最大，依照这个特点就可以从P300引起电位中“找到”特定字母。5、美国Smith-Kettlewell视觉科学研究所Sutter等人设计的脑反响接口以对视觉刺激反响中所产生的视觉引起电位（VEP）作为BCI信号输入，经过引起电位选择计算机显示屏上某一特定部分，进而能够实现选择的功能。、我国

19、清华大学高上凯等人深入解析了稳态视觉引起电位（SSVEP）的特点和提取方法，设计了拥有高传输速率的基于稳态视觉引起电位的脑机接口系统，可用于残疾人的动作控制或环境设备控制等领域。以上几种BCI系统间的比较。不相同BCI间的比较选项速度（比特系统训练时间错误率连续性用户满意度个数每分钟）奥地利Graz理工大2-2.5小时2N/A11%N/AN/A学美国Wadsworth几个小时22010%N/AN/A中心德国Tbingen大几个月27210-30%不好间接厌烦学*美国伊利若斯大学几分钟3645%很好N/A美国Smith-Kettlewell10-60分钟643010%很好还行视觉科学研究所其中速

20、度值为平均速度，N/A表示没有数据报道或没有谈论。四、存在的问题BCI既是一门新兴的研究领域,作为一门交织学科,涉及计算机科学、神经科学、心理认知科学、生物医学工程、数学、信号办理、临床医学、自动控制等多个领域。仍有大量的问题尚待解决，当前主要存在以下问题：1、速度太慢。从整体性能上看，大多数信息传输率在20比特/分钟以下，对于一些实质应用还太慢。2、牢固性不高。系统牢固性随研究方法、受试者和控制系统不相同变化较大；缺乏自适应能力。3、缺乏一致标准。当前还没有一致的BCI基础理论框架，兼容性较差。4、合用性不强。当前的BCI系统大多都是在特定的实验室环境下设计，真正在平常生活环境下的应用极少；

21、BCI装置的制作花销一般都很昂贵；这些都使得BCI系统的实质应用碰到限制。5、采样信号缺乏详尽意义。很难把脑电信号种类与心理意识活动直接联系起来。6、没有一致信号办理方法。信号办理方法是当前BCI研究的重点,由于百家争鸣也造成当前研究方法的多样性，特点提取方法和分类方法没有一致的标*准，没有任何一种信号办理方法能够为所有BCI研究者所采用。、反响的必要性。要不要反响？如何反响？当前仍有争议。一方面，反响提高了系统的正确性和牢固性,同时，另一方面，反响也给整个系统带来额外的负荷，可能会降低信息传输率，同时也给受试者带来操作上的困难。、训练的必要性。当前对要不要训练及采用何种训练还有不相同见解.有

22、些BCI系统还需要较长时间的训练过程，需要受试者掌握改变自己脑电变化的技巧，需要耗费大量的时间和精力，简单产生疲备和厌烦。9、难以连续性工作。当前大多数BCI系统都可是在特定范围内工作，系统的连续工作能力碰到了限制，受试者难以在实验中实时“观察”自己所有的意识。10、个体差异造成很大影响。由于每一个人的思想方式、行为习惯等都不完全相同，需要针对每一类人设计不相同的实验参数和训练方法。即即是同一个人,由于他（她）的注意力、身体状况、心理状况、情绪态度、操作合用性、目的性等的改变，也可能会改变实验参数，造成已设计好的BCI装置可能无法连续使用。五、应用远景由于BCI系统能够不依赖于外面肌肉和神经就可以实现人机交互，因此有着极为广阔的应用远景。当前，BCI的应用主要集中于医学领域、人工智能的实现以及供应新式的娱乐方式。5.1在医学方面的应用在医学领域中，BCI能够帮助肢体阻挡患者提高他们的生活质量。1、实现简单的通信。经过BCI能够使用电脑阅读网页、拨打电话和