浅谈脑_机接口的发展现状与挑战_高上凯

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1、26卷6期中国生物医学工程学报Vol.26No.62007年12月ChineseJournalofBiomedicalEngineeringDecember2007专题:脑—机接口研究本专题在组织和审阅过程中得到本刊编委清华大学高上凯教授的大力支持,我们对高教授为此付出的辛勤劳动表示深深的谢意!编辑部浅谈脑—机接口的发展现状与挑战＊高上凯(清华大学生物医学工程系,神经工程研究所,北京100083)摘要:脑—机接口是在大脑与外部设备之间建立的直接的交流通道。文中简单叙述了脑—机接口的发展现状,并探讨了未来

2、发展中面临的挑战。关键词:脑—机接口;脑电;在线系统CommentsonRecentProgressandChallengesintheStudyofBrain—ComputerInterface＊GAOShang-Kai(DepartmentofBiomedicalEngineeringInstituteofNeuralEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100083)Abstract:Brain—computerinterface(BCI)providesad

3、irectcommunicationpathwaybetweenbrainandexternaldevices.TherecentprogressofBCIstudyisdescribedinthepaper.Thechallengesinfuturedevelopmentarealsoexplored.Keywords:brain—computerinterface(BCI);electroencephalogram(EEG);on-linesystem中图分类号R318文献标识码A文章编号0258-

4、8021(2007)06-0801-03加。与此相关的学术会议此起彼伏,学术刊物上的引言文章随处可见,相关领域的杂志有不少已经出版了脑—机接口(brain—computerinterface,BCI)是脑—机接口的专刊。这一切都已经将脑—机接口的在大脑与外部设备之间建立的直接的交流通道。近研究推进到了一个热潮。10年来,脑—机接口的研究有了惊人的发展。但脑—机接口的研究大致可以分为“有创”的和是,脑—机接口作为连接生物智能系统与人工智能“无创”的两类。有关有创的技术又可以分为完全植系统的一个复杂平台,对

5、它的研究无疑是一项长期入的电极(将电极植入大脑皮层)和皮层表面电极而艰难的工作。(将电极放在大脑皮层的表面而不真正植入大脑)两种。前者最有代表性的工作是去年在Nature杂志上1脑—机接口的发展现状[1]发表的由JohnDonoghue领导的研究小组的工作。如果是在10年前来谈论用大脑(人的思维)直他们将一个微小电极阵列植入了一名瘫痪病人的大接控制计算机或其他外部设备,可能还会有不少人脑运动皮层。这名受试者就可以通过他的思维来控认为是不可能的。但不可思议的事情还是发生了。制电视机、假肢,或操作计算机来发

6、送电子邮件。与许多实验室的工作已经证明了用“思维”控制“行为”植入皮层电极的方式相比较,在皮层表面放上电极是可能的。在过去的几年中,在全球范围内(当然也的方式虽然也需要做开颅手术,但由于避免了植入包括我国),有越来越多的科研人员投入到脑—机接电极对皮层神经元的直接损伤,相对来说要安全些。口的研究中,研究小组和参与的人数都在急剧地增但是对大多数使用者来说,开颅手术还是无法接受收稿日期:2007-08-30基金项目:国家自然科学基金重点项目(30630022)。＊通讯作者。E-mail:gsk-dea@ts

7、inghua.edu.cn802中国生物医学工程学报26卷的。因此,此类研究目前都是在那些在手术前需要2.1脑电信息的解析用皮层电极实现病灶精确定位的癫痫病人身上完成正确解读大脑信息无疑是脑—机接口系统成败的,今后的实用化前景仍无法预测。的关键所在。为了解析脑电信号,一般要经过噪声真正能为大多数使用者接受的是基于头皮脑电及伪迹去除、特征提取与模式分类这几个主要的信的无创的脑—机接口技术。但是,由于头皮脑电的信息处理步骤。在现有的研究报告中,已经提出了各[3,4]号十分微弱,要从中获取有用的信息是十分困难

8、的。种各样的信号处理与模式分类的方法。但是,并因此,在过去的十年中,大量的工作主要集中在对头不是所有的方法都能在实际的系统中应用,因为真皮脑电信号的解读方面。2006年,Mason等人在关于正实用的系统必须能实现实时的在线处理,还要解脑—机接口研究的调查中把现有的BCI系统分为三决个体参数优化、“脑”与“机”交互适应、“休闲状态”[2]种类型:信号转换系统(transducer)、演示系统检测等问题。(demonstrationsystem