脑机接口系统介绍(Neuroscan BCI System)

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1、今天，如果我们想要看电视，我们需要用手控制遥控器；我们想操纵电脑，也必须使用双手。然而，也许有一天，我们可以改变这一切，因为在不远的将来，人类与机器可以直接对话，不需通过肢体，只需要思维。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（即外围神经和肌肉组织），就可以实现人脑与外界（计算机或其它外部装置）直接通信的系统。广义上讲，这种通信也可以是双向的，一方面外界的信息（声音、需要记忆的内

2、容等）可以直接传入大脑，比如电子耳蜗、大脑记忆芯片等；另一方面大脑可以直接控制外界环境，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，必须有一种能够可靠反映大脑思维的信号；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。目前可用于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。目前大多数BCI研究机构采用的大脑信号是EEG。        人类的每一闪思维，每一种情绪，每一个想法，在大脑中都

3、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，并在大脑内传播。不同思维情况下产生的神经电活动信号表现出不同的时空变化模式，会导致EEG信号的不同，将检测到的EEG信号传送给计算机或相关装置，经过有效的信号处理与模式识别后，计算机就能识别出使用者的思维状态，并完成所希望的控制行为，比如移动光标、开门、打字和开机等。一、基本原理1.1BCI系统的基本结构        BCI系统一般都具备信号采集，信号分析和控制器三个功能模块。        （1）信号采集：受试者头部戴上一个电极帽，采集EEG信号，并传送给放大器，信号一般需放大

4、10000倍左右，经过预处理，包括信号的的滤波和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ICA、PCA、FFT、小波分析等方法，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（如频率变化、幅度变化等）；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、控制轮椅、开电视等。        有些BCI系统还设置了反馈环节（如图1中所示），不仅能让受试者清楚自己的思维产生

5、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。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）按照信号获取的方式不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，采集大脑内部的电信号，此法更精确，但有一定创伤风险；目前绝大多数BCI系统为无创伤系统，毋需动手术，只需在受试者头上戴上电极帽以记录EEG信号，没有创伤风险。        （2）按照信号控制的方式不同可分为同步系统和异步系统。同步系统要求受试者必须在特定的时

6、间产生特定的思维意识，这样便于信号分析，目前大多数BCI系统属于同步系统,一般用于初始阶段；异步BCI系统则不限定受试者何时产生特定的思维意识，系统自动判定并完成相应的控制，受试者可以随心所欲通过思维来完成对外界的控制。真正实用的BCI系统是异步系统。        （3）根据信号处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、处理、分析和控制都是实时实现的，同时给受试者反馈,大多数BCI系统是在线系统；离线BCI系统实时记录EEG数据，离线分析这些数据，一般来说离线BCI系统只用来评估测试和抽取特征量。        

7、（4）根据所采用的脑电信号的不同可分为基于P300的BCI、基于慢皮层电位（SCP）的BCI、基于视觉诱发电位（VEP）的BCI、基于事件相关电位（ERP）的BCI等。        目前的BCI系统大多是在线的、同步的和无创伤系统。二、方法2.1EEG信号采样及存储        （1）电极        目前多数采用按照国际10~20系统设定好电极位置的电极帽来提取EEG信号。        （2）电极数目的确定和位置的选择        在BCI研究中，需要确定测量EEG信号的电极的数目。较多的电极数目，在提高EEG信号定位的准确性

8、的同时增加了处理的复杂度，建议使用尽可能少的电极。电极位置的选择取决于BCI系统本身的要求及与EEG信号特征变化相关的脑区。        （3）预处理        信号采集过程中，会夹杂干