腦機(jī)接口Braincomputer interface，BCI是人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立的直接通信和控制通道通過這一通道，人們可以直接通過大腦表達(dá)思想或操縱設(shè)備，無需語言或動作，可以有效增強(qiáng)重度肢體殘疾患者與外界交流或控制外界環(huán)境的能力，從而提高患者的生活質(zhì)量。腦-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)是一種涉及神經(jīng)科學(xué)的技術(shù)、信號檢測、信號處理、模式識別和其他跨學(xué)科技術(shù)。

用大腦思維活動的信號直接與外界交流，甚至控制周圍環(huán)境，是人類自古以來一直追求的夢想。自1929年漢斯伯格首次記錄腦電圖以來，人們一直猜測它可能用于交流和控制，從而使大腦不需要通常的介質(zhì)—借助外周神經(jīng)和肢體，直接影響外界。但由于當(dāng)時整體科技水平的限制，以及對大腦思維機(jī)制的認(rèn)識不足，這方面的研究進(jìn)展甚微。

腦機(jī)接口

腦-機(jī)接口(Brain-BCI computer interface company)技術(shù)形成于70年代(Vidal, 1973)是一種神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別和其他跨學(xué)科技術(shù).在過去的20年里，隨著人們生活水平的提高隨著人們對神經(jīng)系統(tǒng)功能的認(rèn)識和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，BCI技術(shù)的研究呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，特別是1999年和2002年兩次BCI國際會議的召開，為BCI技術(shù)的發(fā)展指明了方向.目前，BCI技術(shù)已引起世界上許多科技工作者的普遍關(guān)注，并已成為生物醫(yī)學(xué)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信等領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。

BCI簡介

BCI是一個連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時通信系統(tǒng).BCI系統(tǒng)可以直接將大腦發(fā)出的信息轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動外部設(shè)備的命令，代替人的肢體或語言器官，實(shí)現(xiàn)人與外界的交流，控制外部環(huán)境.換句話說，BCI系統(tǒng)可以替代正常的外周神經(jīng)和肌肉組織，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)或者人與外界環(huán)境的交流。

BCI技術(shù)的核心是將用戶輸入的腦電信號轉(zhuǎn)換成輸出控制信號或命令的轉(zhuǎn)換算法.BCI研究工作中很重要的一部分就是調(diào)整人腦與BCI系統(tǒng)的適應(yīng)關(guān)系，即找到合適的信號處理和轉(zhuǎn)換算法，使神經(jīng)電信號能夠?qū)崟r、快速、它通過BCI系統(tǒng)被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的命令或操作信號。

2021年7月，鑒于腦機(jī)接口技術(shù)的面貌，“帶寬不足”植入創(chuàng)傷大”長期記錄穩(wěn)定性差”三大挑戰(zhàn)。針對上述問題，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研發(fā)了微創(chuàng)免開顱植入式高通量柔性腦機(jī)接口系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，前端柔性神經(jīng)電極已經(jīng)在晶圓級批量生產(chǎn)目前，單個設(shè)備可以集成多達(dá)2640個通道的腦電信號采集；柔性電極無需開顱即可微創(chuàng)植入顱骨，植入創(chuàng)傷小于0.7mm，可以自動繞過血管、減少創(chuàng)傷；電極植入后，可實(shí)現(xiàn)術(shù)后30分鐘的急性信號采集和長達(dá)8個月的穩(wěn)定神經(jīng)信號追蹤；它已經(jīng)成功地應(yīng)用于老鼠身上、兔、許多動物模型，如猴子。

2021年7月8日，“免開顱微創(chuàng)植入式高通量柔性腦機(jī)接口”基于技術(shù)的世界人工智能大會在上海召開（WAIC），并獲得大會最高獎，——賽爾獎（SuperAILeader，杰出人工智能領(lǐng)袖獎）

2022年9月18日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究

院正高級工程師、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院研究員李小健及其合作團(tuán)隊(duì)披露，利用光學(xué)納米神經(jīng)遙控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口設(shè)備小型化柔性植入壽命可控信息無線交互。這種腦機(jī)接口應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，不僅是我國學(xué)者首創(chuàng)并持續(xù)引領(lǐng)的，也是腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室走向臨床的重要環(huán)節(jié)。這項(xiàng)研究于2022年9月5日發(fā)表在國際頂級期刊自然的子刊自然 生物醫(yī)學(xué)3356工程上。

神經(jīng)科學(xué)的研究表明，在大腦產(chǎn)生動作意識后執(zhí)行動作前，或者受試者受到外界刺激后，神經(jīng)系統(tǒng)的電活動會發(fā)生變化.這種神經(jīng)電活動的變化可以通過某些手段檢測到，并用作動作即將發(fā)生的特征信號.通過對這些特征信號的分類識別，可以分辨出引起腦電變化的動作意圖，然后用計(jì)算機(jī)語言編程，轉(zhuǎn)化人 s思維活動轉(zhuǎn)化為命令信號驅(qū)動外部設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)人腦對外部環(huán)境的控制，而不需要肌肉和周圍神經(jīng)的直接參與.這是BCI的基本工作原理。

第一次BCI國際會議對BCI的定義是：腦-計(jì)算機(jī)接口(Brain computer interface)它是一個不依賴于外周神經(jīng)和肌肉組成的正常輸出通路的通訊系統(tǒng)”BCI完全不依賴肌肉和周圍神經(jīng)的參與，直接實(shí)現(xiàn)大腦和計(jì)算機(jī)的交流.這對完全喪失行為能力的病人(如中風(fēng)肌肉萎縮(脊髓)側(cè)索硬化腦癱等)輔助治療與語言功能、行為能力的恢復(fù)對特殊環(huán)境下外部設(shè)備的控制乃至娛樂方式的改進(jìn)都具有重要意義。

基于不同的需求，人們設(shè)計(jì)了各種可以在實(shí)驗(yàn)室演示的基于腦電的BCI原型系統(tǒng)。原則上，BCI系統(tǒng)一般由輸入和輸出組成、輸出和信號處理與轉(zhuǎn)換等功能環(huán)節(jié).輸入鏈接的功能是生成、檢測包含一定特征的腦電活動特征信號，并用參數(shù)描述這種特征。信號處理的功能是對源信號進(jìn)行處理和分析，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成一些特征參數(shù)(如幅值、自回歸模型的系數(shù)等)表示的數(shù)字信號，以便于計(jì)算機(jī)讀取和處理，并對這些特征信號進(jìn)行識別和分類，確定其相應(yīng)的思想活動。信號轉(zhuǎn)換基于信號分析、分類后得到的特征信號產(chǎn)生驅(qū)動或操作命令來操作輸出設(shè)備，或直接輸出表示病人的字母或單詞的意圖，從而達(dá)到與外界溝通的目的.作為輸入和輸出的中間環(huán)節(jié)，信號分析和轉(zhuǎn)換是BCI系統(tǒng)的重要組成部分.在訓(xùn)練強(qiáng)度不變的情況下，改進(jìn)信號分析和轉(zhuǎn)換的算法，可以提高分類的準(zhǔn)確性，優(yōu)化BCI系統(tǒng)的控制性能.BCI系統(tǒng)的輸出設(shè)備包括指針移動、字符選擇、神經(jīng)假體的運(yùn)動和其他設(shè)備的控制等。

腦機(jī)接口技術(shù)

第一次BCI國際會議根據(jù)輸入信號的性質(zhì)將BCI系統(tǒng)分為兩類，即：BCI系統(tǒng)使用自發(fā)的腦電信號，BCI系統(tǒng)使用誘發(fā)的腦電信號。

基于自發(fā)腦電的BCI系統(tǒng)以自發(fā)腦電作為系統(tǒng)的輸入特征信號。其特點(diǎn)是受試者經(jīng)過訓(xùn)練后可以自主控制腦電的變化，從而直接控制外界環(huán)境，但通常需要大量的訓(xùn)練，易受自身身體狀況的影響、情緒、疾病等各種因素的影響。

誘發(fā)腦電信號的BCI系統(tǒng)是利用外界刺激誘發(fā)大腦皮層相應(yīng)部位電活動的變化，并將其作為特征信號。外部誘導(dǎo)的BCI系統(tǒng)不需要對受試者進(jìn)行過多的訓(xùn)練，但需要特定的環(huán)境(例如以矩陣形式排列的閃爍視覺刺激輸入)這不利于系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

在系統(tǒng)輸出模式下，前者使操作員能夠?qū)⒅羔樢苿拥饺魏味S或多維位置，而后者僅使操作員能夠在列出的選項(xiàng)中進(jìn)行選擇。根據(jù)信號檢測方式的不同，BCI也可分為電極內(nèi)置和電極外置兩種基本形式。

電極內(nèi)置信號檢測法使電極直接接觸或進(jìn)入大腦皮層，測得的信號噪聲小、損失低，但因?yàn)樯婕笆中g(shù)，操作復(fù)雜，需要專業(yè)操作人員，容易被感染。

外置電極的信號檢測方法簡單安全，有利于BCI系統(tǒng)的推廣但是電極離信號源遠(yuǎn)，噪聲大。在BCI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)信號的特性來選擇采用哪種方案、綜合考慮測量技術(shù)水平和實(shí)際要求的精度。

BCI系統(tǒng)是由信號產(chǎn)生的、處理、轉(zhuǎn)換、輸出開關(guān)時鐘等單元。在BCI技術(shù)的發(fā)展中，信號分析和轉(zhuǎn)換算法是最重要的研究內(nèi)容。

源信號的獲取

BCI源信號的采集過程包括信號產(chǎn)生、檢測(電極記錄)信號放大、去噪和數(shù)字處理等。人腦可以產(chǎn)生各種信號，包括電信號、磁的、對大腦活動和其他形式的化學(xué)和機(jī)械反應(yīng)。這些信號可以被相應(yīng)的傳感器檢測到，從而使得BCI的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于對磁信號和化學(xué)信號的檢測技術(shù)要求較高，BCI信號的獲取主要基于相對簡單的技術(shù)、低成本腦電檢測技術(shù)。

信號的產(chǎn)生

根據(jù)待獲取信號的特點(diǎn)和性質(zhì)，必須采用相應(yīng)的方法產(chǎn)生特征信號。信號產(chǎn)生方法包括使用視覺誘發(fā)電位、使用事件相關(guān)電位、模擬虛擬環(huán)境，自主控制腦電圖。

信號的檢測

信號檢測方法取決于待檢測的神經(jīng)電信號的特性.根據(jù)電極的類型，BCI系統(tǒng)可以分為兩種基本形式內(nèi)置電極和外置電極。

信號的處理方法

BCI系統(tǒng)中的信號處理包括信號預(yù)處理、特征提取、識別分類等過程。傳統(tǒng)的腦電信號分析方法是對信號進(jìn)行多次檢測并對均值進(jìn)行濾波，然后用統(tǒng)計(jì)方法找出腦電信號的變化規(guī)律.這種方法信息傳輸速率低，不能滿足實(shí)時控制的需要.目前，腦電信號的處理一般采用單一訓(xùn)練信號的研究.其中，特征提取識別和分類是BCI信號處理中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

BCI的特征提取方法

特征提取就是把特征信號作為源信號，確定各種參數(shù)并作為向量，形成一個特征向量來表征信號特征.特征參數(shù)包括時域信號(如幅值)和頻域信號(如頻率)有兩類，相應(yīng)的特征提取方法也分為時域方法、頻域法和時-頻域方法。

特征信號的分類與識別

特征信號分類是基于腦電信號根據(jù)不同的動作或意識會產(chǎn)生不同的反應(yīng)這一特性，確定動作或意識的類型與特征信號之間的關(guān)系.信號分類的結(jié)果取決于兩個因素一個是待分類的特征信號是否具有明顯的特征，即特征信號的性質(zhì)；二是分類方法是否有效。幾種典型的BCI特征信號的分類總結(jié)如下：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；貝葉斯-卡爾曼濾波；線性判別分析；遺傳算法；概率模型。

作為一種新興的跨學(xué)科通信技術(shù)，目前BCI的研究大多處于理論和實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定差距。However, from its performance, BCI system and its technology will play an important role in various fields involving the human brain, especially for the ability recovery and functional training of patients with severe lack of mobility。目前，對BCI應(yīng)用的研究主要集中在以下幾個方面。

交流功能

這類研究的目的是提高語言喪失患者與外界的交流能力。

環(huán)境控制

目前，對BCI環(huán)境控制的研究主要基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)具有相對安全性和目標(biāo)可移動的特點(diǎn)，可以為訓(xùn)練和調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)活動提供安全可靠的環(huán)境.主題 大腦發(fā)出操作命令，這些命令不是由肌肉和周圍神經(jīng)傳遞和執(zhí)行的，而是由BCI系統(tǒng)檢測到的、分析識別相應(yīng)的腦電信號，確定要進(jìn)行的操作，然后由輸出設(shè)備控制目標(biāo)。

運(yùn)動功能恢復(fù)

BCI系統(tǒng)完成腦電信號檢測和分類的過程，然后輸出指令給神經(jīng)假體，完成已經(jīng)喪失功能的周圍神經(jīng)的功能，或者輸出指令信號給輪椅上的指令接收系統(tǒng)，完成運(yùn)動、行走等功能，使肢體完全喪失的患者可以在無人照看的情況下進(jìn)行一些簡單的活動或進(jìn)行功能輔助訓(xùn)練。

其他領(lǐng)域的應(yīng)用

從理論上講，BCI技術(shù)可以應(yīng)用于任何涉及神經(jīng)電的通信系統(tǒng)，比如殘疾人無人駕駛汽車，即通過BCI系統(tǒng)將操作過程中腦電信號的一系列變化實(shí)時轉(zhuǎn)換成操作指令，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛的目的。

BCI是一門新的跨學(xué)科技術(shù)，涉及神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別等學(xué)科.BCI技術(shù)的研究具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景.由于BCI技術(shù)發(fā)展較晚，相應(yīng)的理論和算法還不成熟，對其應(yīng)用的研究還不完善，需要更多的科技工作者致力于該領(lǐng)域的研究工作.隨著技術(shù)的不斷完善和成熟，BCI將逐步應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，為仿生學(xué)開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。