脑机接口技术研究综述.doc

《脑机接口技术研究综述.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、脑机接口技术研究综述摘要：脑机接口技术(braincomputerinterface,BCI)不依赖于常规大脑信息输出通路，该技术建立了一种克接的信息交流和控制通道，为人脑和外界Z间提供了一种全新的交互方式。简要介绍了BCI技术的定义和基本组成及发展现状，并对皮层慢电位、视觉诱发电位、眼动产生的a波、P300电位和基于运动想象的M节律及B波5种脑机接口技术的研究方向作了简要阐述，最后指出目前BCI研究面临的挑战及未來的应用前景。关键词：脑机接口技术；脑电信号；信息处理中图分类号:TN914文献标识码:A文章编号：10053824(2013)040005040引言人类在不断地探索了

2、解大脑活动的奥妙，尤其是脑电信号被发现以来，科学家试图通过脑电信号了解大脑的活动规律。随着计算机技术、自动控制技术、通信技术、电子技术、人体解剖学、心理学等学科的发展，出现了一个新的研究领域一一脑机接口技术［1］。BCI的研究涉及的领域广泛，主要涉及生物学、计算机、通信工程、心理学、临床医学、数学等学科。作为一项跨学科的技术，BCI系统的研究与开发需要各行各业专业人员的配合，同时随着BCI技术研究的不断深入，也必将推动这些学科的融合与发展。1脑机接口技术简介1.1脑机接口技术的内涵早在1999年，BCI国际会议对BCI含义进行了界定，即“脑机接口技术是一种不依赖于正常的由外周神经

3、和肌肉组成的输出通路的通讯系统”[2],它绕开了外周神经和肌肉组织，直接为人脑提供一种新的信息交流和控制通路，为那些不能通过说话或肢体动作来表达想法或操作设备的人提供一种与外界环境进行交流和沟通的途径。1・2脑机接口技术的组成脑机接口技术是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号，经过放人、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。一个典型的脑机接口系统主要包含4个组成部分：信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节[3]。其中，信号处理部分包括

4、预处理、特征提取、特征分类3个环节。脑机接口的结构框图如图1所示。脑机接口技术信号处理结构框图1）信号采集部分。此部分负责通过相关设备采集大脑活动产生的电信号。目前，对脑电信号的采集主要有2种方法：侵入式和非侵入式。侵入式方法是将电极插入脑皮层下，该方法采集的大脑神经元上的脑电信号具有较高的精度，而且噪声较小。缺点是无法保证脑内的电极长时期地保持结构和功能的稳定，而且将电极植入脑皮层内存在安全问题。非侵入式方法测量的是头皮表面的脑电信号，通过将电极贴附在头皮上，就可直接获得人大脑活动产生的脑电信号，易采集、无创性等特点使之成为BCT技术研究的主耍方向。2）信号处理部分。脑电信号的

5、处理主要包括预处理、特征提取和特征分类3部分。预处理主要用于去除脑电信号中具有工频的杂波、眼电、心电以及肌电等信号的伪迹。特征提取的主要作用是从脑电信号屮提取出能够反映受试者不同思维状态的脑电特征，将其转换为特征向量作为分类器的输入。特征提取是脑电信号处理中十分重要的一步，提取出的特征的好坏将直接影响脑电信号的识别率。特征分类主要是寻找一个以特征向量为输入的判别函数，并且该分类器能识别出不同的脑电信号。3）控制设备部分。控制设备主要是把经过处理的脑电信号转换为外部设备的控制指令输出，从而控制外部设备实现与外界进行交互的目的。4）反馈环节。反馈主要是把外部设备的运行情况等信息反馈给

6、使用者，以便使用者能实时地调整自己的脑电信号。2脑机接口技术的国内外研究现状自20世纪70年代起，学者们就已经开始了对BCI技术的研究。近年来，随着计算机科学、认知脑科学、神经科学等技术的飞速发展，加之残疾患者需求意识的不断提高，越来越多的科学家和研究者对BCI技术产生了浓厚的兴趣。随着BCI技术研究的不断发展，研究机构也在不断增多，国际一些著名的BCI研究小组组织了BCI竞赛，进一步促进了BCI的研究以及各国在BCI研究方血的经验交流。目前，脑机接口的研究主要有以下儿个方向。2.1慢皮层电位慢皮层电位（slowcorticalpotential,SCP）是大脑皮层脑电信号中最慢

7、的频率部分，它的时间序列中持续时间为300ms到儿秒之间的正负电位偏移。思维活动显著时，大脑皮层的兴奋性增强，SCP发生负向变换；思维活动减弱时，大脑皮层的兴奋度降低，SCP发生正向变换。研究表明，几乎所有人均能自主地调节慢皮层电位，因此慢皮层电位可以作为脑机接口的控制信号。2・2视觉诱发电位视觉诱发电位(visualevokedpotential,VEP)是指神经系统接受视觉刺激(如图形翻转、颜色交替或闪光筹刺激)所产生的特定电活动。根据视觉刺激模式的频率不同，视觉诱发电位可以