脑机接口

生物反馈与脑机接口技术简述1.生物反馈与脑机接口概述和发展现况生物反馈是学习控制、调节自己身体机能的一种方法。他由我国和印度古代的气功术发展而来，可以运用意识主动地控制体内生理变化，如用意识来控制自己的心跳、血压，以及控制内脏反映、皮肤电反应和脑电的变化。利用该技术，人们已经发展研究出生物反馈疗法，所谓生物反馈疗法就是利用现代生理科学仪器，通过人体内生理或病理信息的自身反馈，使患者经过特殊训练后，进行有意识的“意念”控制和心理训练，从而消除病理过程、恢复身心健康的新型心理治疗方法。该方法现在主要运用于神经性系统疾病，高血压，心律不齐，消化性溃疡等疾病，并已研制出许多相应医学仪器，如肌电反馈仪、皮肤湿度反馈仪、脑电反馈仪、脑电反馈仪及脉搏反馈仪等。目前生物反馈疗法已在国内外临床应用。例如，我国的白求恩医科大学用肌电生物反馈法治疗21例脑血栓形成和脑栓塞及脑外伤所致偏瘫的病人，15例有一定疗效，其中11例有良好疗效。脑一机接口(Brain—ComputerInterface，BCI)是一种新的人机交互界面，其主要任务是利用思维脑电信号实现人脑与计算机或其它外部机电设备的通讯和控制，他是一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。通过采集和分析人脑生物电信号，在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道，以达到通过脑来表达意愿或操纵设备，而不需要语言或肢体动作。实现这样一种接口需要满足以下两个必要条件：(1)必须有一种能够反映人大脑不同状态的信号；(2)这种信号必须能够实现实时或短时被提取和分类。脑电信号是可以满足这两个条件的。当人们进行不同的感觉、运动或认知活动时，脑电是不同的。此外，脑电信号具有记录简单，无创，信息量大，时间分辨率高，设备携带方便．价格低廉等优势，使其成为目前Bcj的主要选择。当然。应该指出的足，基于脑电信号的BcI并非是试图解释自发脑电，而是使人产生容易被解释的脑电，BcI识别出这种脑电后，就可以做出不同的选择或发出不同的指令。跟其它的通讯和控制系统一样，脑机接口是由输入、输出和将输入转化成数出的组件构成。与其它任何通讯与控制系统一样，BCI也由输入、输出、以及联系二者的中间环节组成。BCI输入：包括大脑行为特征及测量方法。(思考，有或无外部声光等刺激引起)BCI可采用频域特征(如EEG的μ、B节律等)和时域特征(如慢皮层电位、P300、单个皮层神经元行为电位等)。特征测量方法包括:电极类型与位置、参考电平、空间与时间滤波、以及其它检测信号特征的处理方法。中间环节：也称为转换算法，它是BCI的核心，其作用是将大脑电生理输入转化为控制外部设备的输出。输出：可能去控制光标的移动、字母或图标的选择、轮椅的转动等，同时还提供反馈，使用户和BCI能够互相适应。BCI系统一般都具有信号采集、信号分析和控制器三个功能模块。(1)信号采集受试者头部戴一个电极帽，采集EEG信号，并传送给放大器，信号一般需要放大10000倍左右，经过预处理，包括信号的滤波和A／D转换，最后转化为数字信号存储于计算机中。(2)信号分析利用FFT、小波分析等算法，从经过预处理的EEG信号中提取与受试者意图相关的特定特征量。特征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转换为实际的动作，如在显示器上的光标移动、机械手运动、字母输入、轮椅控制、开电视等。有些BCI系统还设置了反馈环节，不仅能让受试者清楚自己思维产生的控制结果，同时还能够帮助受试者根据这个结果来自主调整脑电信号，以达到预期目标。人和动物的大脑，特别是皮层细胞，存在着频繁的自发电活动，无需任何外界刺激。从脑电极记录到的电位是对脑部大量神经元活动的反应，低至微伏级，这种电活动的电位随时间的波动成为脑电波(EEG)。EEG反应了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，脑的复杂活动反应在头皮上的电位活动就是EEG轨迹。所以理论上，人的意图通过脑电应该可以被探测识别出来。BCI的前驱曾经指出“在理论上，脑的感觉、运动及认知意识在自发EEG中应该是可辨识的”，因此EEG成为BCI研究的首选工具。BCI技术就是要通过识别这种意图，将之表达为对外部设备的直接控制。由于脑电信号的本质还未知，难以确定一种特定的信号识别方法。假设脑电信号是线性的，那么大多数BCI使用的线性识别方法足以应用。反之，则线性识别算法对于希望被识别的信号可能是最糟糕的描述。但无论何种情况，BCI技术的首要任务就是从EEG中识别出人的主观操作意识，并将之表达为对外部设备的直接控制。BCI是一门新兴的研究领域，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、信号处理、临床医学、自动控制等多个领域，仍有大量的问题尚待解决，目前主要存在以下问题：(1)速度太慢从整体l生能上看，大多数信息传输率在20bit／min以下，对于一些实际应用而言还太慢。(2)稳定性不高系统稳定性随研究方法、受试者和控制系统的不同变化较大，缺乏自适应能力。(3)缺乏统一标准目前尚无统一的BCI基础理论框架，兼容性较差。(4)实用性不强目前的BCI系统大多数都是在特定的实验室环境下设计的，真正在Et常生活环境下的应用极少，BCI装置的制作费用一般都很昂贵，这些都使得BCI系统的实际应用受到限制。(5)采样信号缺乏具体意义很难把脑电信号类型与心理意识活动直接联系起来。(6)没有统一的信号处理方法信号处理方法是目前BCI研究的重点，由于百家争鸣造成目前研究方法的多样性，特征提取方法和分类方法没有统一的标准，没有任何一种信号处理方法能够为所有BCI研究者采纳。(7)反馈的必需性要不要反馈?如何反馈?，目前仍有争议。一方面，反馈提高了系统的准确性和稳定性；但另一方面，反馈也给整个系统带来了额外的负担，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。(8)训练的必要性目前对要不要训练及采取何种训练尚有不同观点。有些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身脑电变化的技巧，需要耗费大量的时间和精力，容易产生疲惫和反感。(9)难以持续工作目前大多数BCIO系统都只是在特定范围内工作，系统的连续工作能力受到了限制，受试者难以在是实验中实时“观察”自己所有的意识。(10)个体差异造成很大影响由于每个人的思维方式、行为习惯等都不完全一样，需要针对每一类人设计不同的实验参数和训练方法。即使是同一个人，由于他(她)的生理状况、情绪态度、操作适用性、目的性等的改变，也可能会造成已涉及好的BCI装置无法继续使用。面对存在的问题，今后BCI将着重在以下方面进行研究：建立通用的功能模型；选择BCI更合适的认知任务；研究更好的反馈方法；寻求更加有效的信号提取方法及相应的算法；将多种研究方法结合；优化用户和系统的自适应接口；克服BCI系统目前还只是在安静的实验室环境下进行测试的不足，提高其复杂环境的适应性；进行多研究组的合作，开发BCI实际应用系统。举例说明无创式BCI的研究奥地利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，受试者可以控制光标的移动。德国Birbaumer等人设计了一种称为ThoughtTranslationDevice(TTD)的基于慢皮层电位(SCPs)的BCI装置,那些因为患ALS而完全瘫痪的病人,通过操作TTD能写出相当长度的语句,控制开关,甚至上网[1，2]。清华大学高上凯等人深入分析了稳态视觉诱发电位(SSVEP)的特征和提取方法,设计了具有高传输速率的基于稳态视觉诱发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。有创式BCI的研究有创式BCI虽然是一种有损伤的方式,但由于植入的微电极离信号源很近,具有较高的空间和频率分辨率,并且植入电极不受肌肉运动的影响,可以在头部固定较长时间,具有较好的位置稳定性,这些都是它相比于无损的BCI所具有的优势。但是由于技术上的不成熟以及社会伦理、病人心理的限制,接受电极植入手术的病人几乎难以找到,目前的研究多以动物为实验对象。世界上有多个研究小组报道他们成功的将微电极阵列植入到白鼠或猴子的脑内,记录这些动物运动皮层区神经元群的电信号,实现了对一些机械装置的实时控制。科学家们以人为对象的实验也获得了成功。Kennedy等人研究的BCI系统中,病人的皮层信号通过无线的方式传送到一个接收器,接收到的信号通过计算机软件的处理,实现了对一个虚拟键盘或一个虚拟手的控制。总结与展望随着脑机接口研究的广泛展开并不断取得进展,脑机接口的实用化研究逐渐成为专家们普遍关心的课题。但鉴于现有BCI系统误差率高、信息传输率低、自动化程度低及环境适应性差等因素的限制,很难实现具有通用性的脑机接口。不过,由于脑机接口与其具体的操作环境和使用对象是密切相关的,对将各种因素综合在内的基于应用的脑机接口系统的研究,有可能是实现脑机接口实用化的一个有效途径。而人类对脑电的认识,除了上述那些人为干预条件下的特征脑电外,还有其他和情感、疾病等自然条件相关的特征脑电。这些特征脑电也将为基于应用的脑—机接口系统的研究提供更多设计上的灵活性。BCI技术的发展,其意义也远远超越了医学范畴,它必定会使人类提高对自身大脑结构与功能的认识,从而更好地保护和利用大脑。在国外脑电生物反馈和脑机接口的研究正方兴未艾，而国内从事这方面研究的人还不多，有条件进行这种生理和心理的康复治疗的机构也不多。事实上，我国各种瘫痪患者、残疾人、帕氏综合征患者、失语症患者以及存在其他各种交流障碍的患者有上千万，因此我们如果能紧密地跟踪国际上研究的进展，并争取同步开展这方面的研究，必将有助于全国人民健康事业的发展。