脑机接口技术在航天领域的潜在应用

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1、第18卷第3期载人航天Vo1．18No．32012年5月MannedSpaceflight87脑机接口技术在航天领域的潜在应用杨鑫，吴边，陈卫东，张韶岷，代建华，郑筱祥(浙江大学，杭州310009)摘要脑机接口技术应用于航天领域可提升空间操作的安全性和效率。介绍非植入式脑机接口技术的发展现状，通过引入最新的脑信号监测技术和解码模型，探讨脑机接口技术在航天领域的潜在应用。目前基于头皮脑电的脑机接口方法受限于速度、容量和传输精度，但这些局限会随着该技术的发展而逐渐减小。关键词头皮脑电；脑机接口；非植入式；航天应用中图

2、分类号：R319文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)03—0087—06机器学习算法的出现而迎刃而解圈。相应地，在现阶1引言段，我们可以考虑对已有的方法进行改进，并适当引近几十年，研究人员尝试使用脑电信号与外部入最新的信号采集与解码算法，使脑机接口更加接设备进行交互并操纵外部设备，旨在将这些成果应近于运用到航天工程中。用在残疾人身上。大脑的状态可以被系统检测到并本文的内容安排如下：第二部分将概要介绍脑解码为各种指令，从而完成各种任务：例如在虚拟键机接／：3并以EEG(Electro—enceph

3、alography)为例介绍盘上选择字母，玩视频游戏，或者控制机械臂的移非植入式脑机接口的特点；第三部分将介绍将非植动。上述技术就是脑机接口(Brain—machineInter—人脑机接口应用在航天领域的限制性条件；第四部faces，BMI)，旨在大脑与外部设备或系统之间建立一分将介绍目前已经提出的脑机接口在航天领域的相条通路，以便使用脑电信号直接控制外部设备。关应用方式和策略，以及针对未来潜在应用的改进近几年，基于各种脑电信号的脑机接口已经实方法。现了对外部设备的较为精确的控制圜。脑机接口技术2脑机接口的迅速

4、发展预示，如果将脑机接口运用到航天领域中，航天员就可以在航天飞机中完成对外部机械装2．1脑机接口技术概述置(维修用的机械臂等)的遥控操作，而不必进入到脑机接口技术是一种监测大脑活动的信息，并充满各种危险的外太空环境中去，这无疑将会对太仅仅利用这些信息解码人的意图，最终控制一个外空探测任务的规划产生巨大的影响。部设备的技术。尽管基于脑机接口的各种应用的实但是，必须看到，现阶段的脑机接口还有比较大现方式各不相同，但总体上都包含以下几个步骤翻：的局限性，往往受限于反应速度、解码精度和脑机接(1)记录脑电信号；(2)数据

5、预处理，包括滤波以及去口的可用性。尽管存在这么多的限制条件，但是随着除各种干扰信号从而提高信号质量；(3)从信号中提脑机接口技术的不断发展，这些局限性会因为更加取适用于特定应用的特征；(4)将提取出来的特征输精细的设备、更加复杂的特征提取方法、更加有效的入到解码模型中；(5)利用解码模型的输出控制相关收稿日期：2011-05—16；修回日期：2012—03—12作者简介：杨鑫(1987一)，男，硕士研究生，研究方向为脑机接口，数据挖掘和模式识别。E-mail：qaas@zju．edu．cn88载人航天第18卷的外

6、部设备。基于EEG的脑机接口按使用EEG成分的不同各种不同的监测大脑活动的方法可以粗略地分又大致可分为诱发式和自发式两类。诱发式系统需为植入式的和非植入式的。植入式的方法利用植入式要外部设备向使用者不断发出刺激信号或事件提示的电极(例如，脑硬膜下的，脑硬膜上的和颅内的)；而以激发响应，其优点是利用了生理上的刺激一响应机非植入式的方法则利用位于人体头皮表面的电极(如制，只需要很少的训练且信号特异性强。基于自发式EEG)或者其它传感器获取大脑的活动信息。信号的系统需要较多训练才能使被试者熟练掌握操目前，存在多种监测大

7、脑活动的方法，从监测大控，但其优势是不需要任何外部辅助设备，且有利于脑一个区域的情况到监测单个神经元的发放情况，实现非同步控制(见下文)。国际上，柏林工业大学、这些方法都可以为脑机接口系统提供输入信号。其格拉茨工业大学、洛桑理工学院、图宾根大学等大量中，植入式的方法通过在脑组织中植入电极，取得的欧洲研究机构自上世纪90年代即最早开始非植入式信号质量足够高，使得基于该方法的脑机接口系统脑机接口的研究。国内清华大学、上海交通大学、天津的表现最为出色。但是，此方法需要承担开颅手术大学、浙江大学等院校的研究机构也已经进行

8、了卓的风险，其长期稳定性和安全性还远未达到临床应有成效的研究。其中，浙江大学求是高等研究院开发用的要求[21。的P300脑机接口【，以及据此开发的中文输人l141、在因此，若要将脑机接口技术应用到航天设备系线通讯、虚拟手臂控制【5]等即为诱发式脑机接口的统中，只能选用非植入式的方法。目前非植人式的脑典型例子。机接口数据来源主要有：EEG(Electro—encephalo