脑机接口技术的研究现状及发展趋势

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1、专题报道SpecialReports栏目主持：艳涛高诺鲁守银张运楚姚庆梅专业交流山东建筑大学信息与电气工程学院[摘要]脑机接口（BCI）是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的一种直接的信息交流和控制通道，是一种不依赖于常规大脑信息输出通路的全新信息交流系统。BCI技术为目前服务机器人提供了一个可选择的人机交互方式。本文介绍BCI技术的组成及工作原理，论述近年来BCI的发展现状，指出目前BCI研究存在的问题及未来发展趋势。[关键词]脑机接口，脑电图，机器人0.引言本文主要介绍脑机接口系统的组成、研究现状、发目前全球老龄化趋势越来越严重，我国也面临同样展趋势和其中

2、的关键技术。问题。据权威部门预测，到2010年，中国60岁及以上老1.脑机接口系统的组成年人口将达到1.74亿，约占总人口的12.78%。其中，80BCI系统一般都具备信号采集、信号分析和控制器[2]岁以上老人将达到2132万，占老年人口总数的12.25%。三个功能模块（见图1）。全国老龄工作办公室提供的调查资料表明，60岁以上老（1）信号采集：受试者头部戴一个电极帽，采集年人在生命期内，平均有1/4左右时间处于肌体功能受EEG（脑电图）信号，并传送给放大器，信号一般需要损状态，需要不同程度的照料和护理。放大10000倍左右，经过预处理，包括信号的滤波和A/D转换

3、，最后转化为数字信号存储于计算机中。中国约有3250万老年人需要不同形式的长期护理，（2）信号分析：利用独立向量分析（ICA）、傅立而我国目前为老年人提供服务的设施严重不足。同时，叶变换（FFT）、小波分析等方法，从经过预处理的EEG由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，这更信号中提取与受试者意图相关的特定特征量（如频率变加大了对服务设施的需求。目前许多发达国家采用服务化、幅度变化等）。特征量提取后交给分类器进行分类，机器人为老年人与残疾人士提供服务，提高他们的生活分类器的输出即作为控制器的输入。质量。但是由于大多数服务机器人与人的交互方式都是（3）控制器：

4、将已分类的信号转换为实际的动作，控制外部电子设备，如显示器上光标的移动、机械手的通过声音、按钮等传统方式，很多老年人及残障人士部运动、轮椅的前进与后退、字母的输入等。分或完全丧失了自主控制肌肉的能力，甚至吞咽、说话有些BCI系统还设置了反馈环节，不仅能让受试者都困难，这些人控制此类服务机器人的难度非常大。如清楚自己的思维产生的控制结果，同时还能够帮助受试何使这部分人群重新恢复对外部世界的控制能力以及与外部世界交流的能力，帮助他们重新返回现代社会是目前研究的热点。上世纪70年代出现的脑机接口（Brain-ComputerInterface,BCI）技术为该问题的解决

5、提供了一个良好的可选择方案。脑机接口是人脑与计算机或其他电子设备之间建立的直接的交流和控制通道。通过这种通道，人就可以直接通过脑来表达想法或操纵其他设备，而不需要通过语言或肢体的动作，是一种全新的通信和控制[1]方式。16《机器人技术与应用》双月刊第4期专题报道SpeciaalReports栏目主持：艳涛者根据这个结果来自主调整脑电信号，以达到预期目标。的认知，相关事件出现概率越小，所引起的P300越显著。2.脑机接口的研究现状Farwell和Donchin在1988年就利用P300设计虚拟[9]在过去的十几年中，脑机接口的研究群体迅速壮打字机，后来经过不断改进，

6、当满足80％的准确率[10]大。第一次和第二次脑机接口国际研讨会分别于1999和时，通信速度达到每分钟7.8个字符。Serby等设计的2002召开。第一次会议有来自六个国家的22个研究组参BCI采用了不同的信号处理方法也达到了92.1％的准确[11]加，第二次会议有来自北美、欧洲和中国的38个研究组率（通信速度为每分钟5.45个字符）。使用者无需训参加。目前，世界上已经有很多家实验室实现了真正意练就可以产生P300，但它也可能随着事件发生变化。义上的脑机接口，下面我们分别加以介绍。目前研制的BCI都是短期操作的，如果长时间操作2.1视觉诱诱发发电电位位（Visua

7、levokedpoteenntials,的话，使用者会由于对小概率刺激的适应使产生的P300VVEEP）变得不显著而影响BCI的性能。因而，对于这类BCI而言视觉诱发电位是人眼经过“集中注视”活动诱发具有自适应调节能力是非常重要的。[3-4]大脑视觉皮层神经的特定电活动在头皮电位的反映。2.3慢慢皮皮层电位（SlowCorticalpotentials,基于VEP的BCI系统依赖于使用者控制眼睛注视方向的能SCPs）力。实验通过对操作者进行生物反馈训练，可获得稳定慢皮层电位是头皮记录EEG信号中频率最低的，其的视觉诱发响应（Steady－stateVEP，SSVE

8、P）。持续