脑机接口基本架构和常见概念

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作者|HNU君陌
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脑机接口BCI技术是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术。BCI是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统。
神经科学研究发现，即使神经系统和运动器官由于损伤而丧失作用，只要大脑功能保持正常，则控制指令依然能够通过脑电信号从大脑传输出来。研究发现，人们在进行某些思维活动或在某些外部刺激下，脑电信号将呈现出与刺激相对应的规律性变化。
BCI系统可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。可以理解为BCI系统可以代替正常外围神经和肌肉组织，实现人与计算机或人与外部环境之间的通信。
BCI技术的核心是吧用户输入的脑电信号转换成输出控制信号或命令的转换算法。寻找合适的信号处理与转换算法，使神经电信号能够实时、快速、准确地通过BCI系统转换成可以被计算机识别的命令或操作信号。
建立一个统一的能被大多数人接受的评价标准，也是BCI技术发展不可缺少的重要环节。要想实现脑机接口，必须有一种能够可靠反映人脑不同状态的信号，并且这种信号能够实时（或短时）被提取和分类。脑电信号是满足这些要求的。
BCI的原理及概念
神经科学的研究表明，在大脑产生动作意识之后和动作执行之前，或者受试主体受到外界刺激之后，其神经系统的电活动会发生响应的改变。神经电活动的这种变化可以通过一定的手段检测出来，并作为动作即将发生的特征信号。
研究表明，神经可塑性可能是BCI改善脑功能的原因之一。

大脑可塑性是指在内、外环境因子的作用下，神经元之间的相互联系发生改变，神经功能发生重组的能力，分为结构可塑性和功能可塑性，前者是指脑神经元之间的联系可以通过学习和经验的影响产生新的连接，从而影响个体的功能；后者是指脑某一代表区的功能通过学习和训练可以由相近脑区代替。

BCI的基本工作原理：通过对特征信号进行分类识别，分辨出引发脑电变化的动作意图，再用计算机语言进行编程，把人的思维活动转变成命令信号驱动外部设备，实现在没有肌肉和外围神经直接参与的情况下，人脑对外部环境的控制。
第一次BCI国际会议给出的BCI的定义是：脑-计算机接口(brain computer interface)是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统
BCI完全不依赖肌肉和外围神经的参与，直接实现脑和计算机的通信.
BCI对完全没有活动能力的患者的辅助治疗和语言功能、行为能力的恢复，对特殊环境中外部设备的控制，甚至对娱乐方式的改进都有非常重要的意义.
BCI系统的基本结构
原理上，BCI系统一般由输入、输出和信号处理及转换等功能环节组成：

  1. 输入环节的功能是产生、检测包含有某种特性的脑电活动特征信号，以及对这种特征用参数加以描述。我们常说的脑电信号实际上指的是特征性脑电信号，即人脑在特定的外部刺激或思维任务下可以产生具有一定时间或频率特征的脑电信号;

  2. 信号处理的作用是对原信号进行处理分析，把连续的模拟信号转换成用某些特征参数（如幅值、自回归模型的系数等）表示的数字信号，以便计算机的读取和处理，并对这些特征信号进行识别分类，确定其对应的意念活动;

  3. 信号转换是根据信号分析、分类之后得到的特征信号产生驱动或操作命令，对输出设备进行操作，或直接输出表示患者意图的字母或单词，达到与外界交流的目的。作为连接输入和输出的中间环节，信号分析与转换时BCI系统的重要组成部分，在训练强度不变的情况下，改进信号分析与转换的算法，可以提高分类的准确性，以优化BCI系统的控制性能;

  4. 输出装置包括指针运动、字符选择、神经假体的运动以及对其他设备的控制等。

BCI的分类(根据输入信号的性质)：

  1. 使用自发脑电信号的BCI系统。应用自发脑电作为系统的输入特征信号，特点是受试者经过训练之后能够自主地控制脑电变化，从而直接控制外部环境。但需要进行大量的训练。能够使操作者把指针移到任意的二维或者多维位置；

  2. 使用诱发脑电信号的BCI系统。使用外在刺激诱发大脑皮层相应部位的电活动产生变化，并以此作为特征信号。不需要对受试者进行过多的训练，但需要特定的环境（如排成矩阵的闪烁视觉刺激输入），这不利于系统的推广和应用。只能使操作者在所列出的选项中进行选择。

BCI的分类（根据其依据的神经生理现象）：

  1. 基于内源性思维任务的BCI，如利用事件相关去同步ERD/事件相关同步ERS和运动相关电位MRP的运动想象BCI；

  2. 基于外源刺激的BCI，如稳态视觉诱发电位SSVEP，是指闪烁频率超过6HZ的视觉刺激诱发的脑电信号。这种信号集中在特定的频率，并且信噪比较高，在头皮上就可以记录到较强的信号，而且SSVEP是人的视觉系统在外界视觉刺激下的正常反应，使用者基本上不需要训练；

  3. 生物反馈自适应，如基于皮层慢电位（SCP）的BCI。

BCI的分类（根据信号检测的方式）：

  1. 电极内置式。使电极直接和大脑皮层接触或进入大脑皮层，测量的信号噪声小、损失低，但涉及外科手术，操作复杂，需要具有专业技术的操作人员，且容易感染；

  2. 电极外置式。操作简单，安全，有利于BCI系统的推广，但由于电极距离信号源较远，噪声大。

作者博客

https://junmo.blog.csdn.net/article/details/106200642

编辑：邹思

文章来源于网络，仅用于学术交流，不用于商业行为

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