腦-機接口

交流是人類的一項基本活動。然而，由於意外事故、疾病等原因，一些人喪失了部分甚至全部的信息交流能力。例如，患有神經症狀或者神經退化性疾病的人群，其中樞神經系統與效應器之間的正常信息傳遞收到阻礙，從而導致人體的動作意圖無法表達或者實施。常見的這類疾病或損傷有肌萎縮性脊髓側索硬化症、脊髓損傷、中風等。該類病患人群失去與外界交流的正常途徑，從而成為一個自我封閉的個體。因此，為他們重建與外界交流的信息通路具有重要的現實意義，而腦-機接口（Brain-Computer Interface, BCI）就是其中這樣一條途徑。第一個BCI系統是由加州大學洛杉磯分校的Jacques Vidal於1970年設計的[1]。該套BCI系統可以讓用戶通過思維直接驅動螢幕上的游標進行二維平面運動。

基本介紹

• 中文名：腦-機接口
• 外文名：Brain-Computer Interface, BCI

腦-機接口的定義

在美國紐約州召開的第一次BCI國際會議給出的BCI的定義是：BCI是一種特殊的通訊系統，它不依賴於人體的外圍神經和肌肉組織[2]。該定義反映了BCI的基本原則和特徵，即BCI是完全不依賴於外圍神經和肌肉的新型互動手段，它實現了腦和計算機之間的直接通信。

美國Wadsworth研究中心的Wolpaw等人在其著作《Brain-computer interfaces: principles and practice》中給出了BCI更加嚴格的定義：腦-機接口是一個通過檢測中樞神經系統活動，並將其轉化為人工輸出的系統，它能夠替代、修復、增強、補充或者改善中樞神經系統的正常輸出，從而改變中樞神經系統與內外環境之間的互動作用[3]。

腦-機接口的原理和基本結構

神經活動則是大腦產生思維的基礎，而且每一種活動模式都對應著一種特定的思維形態。BCI系統就是通過辨別神經活動的模式，對思維進行解碼，並通過控制系統實現與外界環境的交流。

中樞神經系統活動包括發生在中樞神經系統中的電生理活動、神經化學反應和新陳代謝現象，如動作電位、突觸後電位、神經遞質釋放、氧代謝活動等等。通過放置在頭皮上、大腦皮層表面或者大腦內的感測器，我們可以檢測到與神經活動相關的電磁場、氧合血紅蛋白或者其他生理參數的變化。這些參數能夠從一個特定的方面反映大腦內部的活動情況。BCI系統通過記錄這些大腦活動信號，從中提取出具有明確意義的特徵，並將這些特徵轉換為可以作用於外界或人體本身的輸出量。BCI系統的基本結構包括信號採集系統、信號處理與轉換系統以及執行單元。

腦-機接口的分類

侵入式和非侵入式

按照檢測信號感測器的安置方式，BCI系統還分為有創植入電極的侵入式BCI和無創頭皮電極的非侵入式BCI。

侵入式BCI是通過記錄顱骨以下的神經信號來實現對外部設備的控制。通過埋藏在大腦皮層中的記錄電極，侵入式BCI可以近距離地監測神經元的活動狀況。這樣避免了神經活動信號由於遠距離傳播而引起的衰減，因此，記錄到的信號具有極高的信噪比和良好的時間、空間及頻率解析度[4]。目前，侵入式BCI主要用於重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。2012年，Hochberg等人對兩名四肢癱瘓病人進行植入式腦機接口實驗，實現了機械臂的三維抓握動作[5]。但是，侵入式BCI系統有一個明顯的缺點，就是需要通過外科手術將電極植入到腦內神經組織。這樣，不僅會對用戶造成損傷，而且還要確保傷口長期不被感染，存在一定的技術難度。

為避免電極侵襲大腦引起損傷，BCI系統可以選擇非侵入方式來採集腦電信號，即從頭皮表面記錄神經活動信號。但是，由於大腦的容積導體效應，神經電活動信號從大腦皮層傳播至頭皮表面時會被大大削弱，而且會損失掉大量關於信號源時空分布的信息[6]。這些均不利於BCI信號的特徵提取和模式識別，從而增加了無創BCI的技術難度。目前，非侵入式BCI已經被用於部分神經類疾病患者的康復訓練[7]、思維遊戲[8][9]等領域。

主動式、反應式和被動式

根據腦-機互動過程中大腦的主觀心理活動所起的作用，可以將BCI系統劃分為主動式、反應式和被動式三大類[10]。

主動式BCI是指用戶通過直接且有意識的大腦活動來控制外部設備的一類BCI系統。該類型BCI能夠完全獨立於外源刺激，也就是說主動式BCI不需要諸如視、聽、體等外部刺激的誘導。因此，尋找一種由主觀意識引起的、有效穩定的生理信號是建立主動式BCI系統的關鍵。目前，主動式BCI系統中最常用的生理信號是事件相關去同步/同步（ERD/ERS）信號，它能夠反映大腦的運動意圖[11]。此外，還有慢皮層電位信號[12]。

反應式BCI是指通過解碼大腦對外界刺激所引起的特定回響，來間接地表達出大腦意圖的一類BCI系統。因此，反應式BCI系統需要預先產生一些特定模式的刺激物，來引導大腦誘發與自身意圖相關的活動模式，再通過對比大腦活動模式與預設模式之間的相關程度，確定大腦的意圖指令[13]。所以說，指令的編碼與解碼是反應式BCI系統中的一個重要環節。目前，反應式BCI的主要編碼方式有時分多址、頻分多址、碼分多址、空分多址以及混合模式。無論哪種編碼方式，都需要以某種特定類型的刺激物作用於人體的感覺通道。因此，按作用的感覺通道劃分，可以把反應式BCI劃分為視覺依賴性、聽覺依賴型、體感覺依賴型等等。目前，典型的反應式BCI系統主要有SSVEP系統和P300系統。

被動式BCI是指能夠讀取用戶認知狀態變化並用於人-機互動系統的一類BCI系統，它無需用戶主動控制[14]。大多學者認為被動式BCI是對傳統BCI的一種延伸。傳統的BCI系統要求用戶主動向外界傳送所需的指令。而在使用被動式BCI系統時，用戶無需刻意控制自己的大腦活動，系統會讀取用戶的情緒狀態、任務相關心理活動、錯誤相關心理活動、用戶腦力負荷、疲勞等非用戶主動控制的心理活動狀態，從而實現與外設的互動。其與外界的互動也不是傳統BCI那樣直接傳送控制指令，而是通過利用用戶的狀態信息最佳化人機互動過程，從而使外界系統適套用戶的狀態。例如，根據用戶的情緒狀態來調節環境元素以維持正常的情緒活動。因此，被動式BCI是傳統互動方式的一種加強和輔助方式[10]，其套用範圍也不再限於為特殊人群提供新的交流途徑，而可以在日常工作環境中對用戶的情感、腦力負荷、警覺度、疲勞等狀態變化進行監測與反饋，以及套用於人誤探測與修正等[15]。

典型腦-機接口系統

MI系統

想像動作（Motor Imagery，MI），是一種動作意圖而無實際動作輸出。想像某個肢體的運動可以引起相應感覺運動區神經活動的改變，其在腦電信號中的反映就是某些頻率成分同步衰減或增強，這種現象稱為事件相關去同步化或者同步化現象[16]。因此，MI系統是最貼近人體實際動作執行的BCI系統。正因為如此，MI系統被用於某些運動功能障礙患者的康復訓練[17]。2013年，Leeb等人對24名運動功能障礙病人進行BCI對外控制訓練，其中50%的參與者能夠成功地套用基於想像動作的腦-機接口完成日常交流，如文字輸入[18]。

SSVEP系統

SSVEP系統利用頻分多址進行指令編碼，且是視覺依賴性的[19]。在非侵入式BCI系統中，SSVEP系統是目前最快的BCI系統，其最高信息傳輸率可接近200bit/min[20]。用戶在使用SSVEP系統時，會同時面對多個視覺刺激物。所有視覺刺激物都以一個特定且相互不重複的頻率閃爍（>6Hz），且每個刺激物都代表著一個特定的指令。當用戶想輸出某個指令時，只需注視該指令所對應的刺激物即可。SSVEP系統通過解碼大腦初級視覺皮層的振盪頻率來確定用戶所注視的刺激物，並最後轉換為相應的機器指令輸出。

P300系統

P300系統則利用時分多址進行指令編碼，其依賴的感覺通道可以是視覺、聽覺、觸覺甚至是多個感覺通道[21]。P300系統刺激方式必須符合oddball範式，即被分到小機率一類的事件（Oddball事件）是誘發P300電位的目標事件。P300電位是大腦受到外界新奇事件刺激時產生的一個正電位，它通常發生在新奇刺激出現後300ms左右，在大腦頂區最明顯。用戶在使用P300系統時，會依次接收到代表不同指令的刺激物，當與用戶意圖一致的指令刺激物出現時，大腦就會產生一個P300信號。通過確定P300信號出現的時間，系統就可以推測出用戶在關注哪個刺激物，從而輸出正確的操作指令。