脑机接口系统介绍(Neuroscan BCI System)

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时间:2019-08-18

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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

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