浅谈脑机接口

    脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)是一种新的“控制”技术。1999 年,BCI 国际会议对BCI进行了定义,即“脑机接口技术是一种不依赖于正常的由外周神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统”在这个系统中,大脑绕过了周围神经系统,通过设备与外界沟通。

    一般的BCI系统包括信号采集、信号处理、设备控制与反馈部分。

     1)在信号采集部分,主要负责采集大脑活动的电信号(electroencephalograph,EEG),目前有两种方式,一种是非侵入式,另一种是侵入式。顾名思义,侵入式方法是将电极插入脑皮层下,采集的脑电信号精度高,噪声小,但是对患者留下创伤,有安全隐患。而目前多数是非侵入式,就是直接采集大脑表层的脑电信号,国际上有通用的电极采集分布图,这种采集相对来说噪声大点,但是易于采集、相对安全使得其成为主流的研究方向。而采集设备一般为专用的脑电放大器,如Neuroscan的40导连放大器、Neurosky的便携式脑电采集设备等,当然也有开源硬件,如OpenEEG hardware

     2)在信号处理部分,主要分为预处理、特征提取和特征分类3部分,通过去伪,提取,分类,最终实现对脑电任务的判断。

     3)在设备控制与反馈部分,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,实现与外部交互。反馈主要是把外部设备的运行情况等信息反馈给使用者,以便使用者与系统能实时调整。

       毫无疑问,BCI是一个多学科综合性强的技术,需要神经科学、生物工程、电子技术与数学等学科协作,关于脑机接口的研究也有许多方向,比如运动想象、视觉诱发电位、P300等。本文仅对稳态视觉诱发电位(steady-state visual evoked potential,SSVEP)进行介绍。

       为了实现脑机接口技术的目的,即通过脑电控制设备,或者说通过意识控制外界设备,要对采集的脑电信号中提取特征明显的部分,利用这些特征信号实现控制。在此之前需要对脑电信号成分做一个简单的了解,脑电信号一般由直流电(大脑不同位置的恒定电位差)、慢电位(即大脑慢电变化,更慢的大脑活动可低至0.5-8次每分钟,被称为大脑超慢电位)自发电位(指大脑皮层神经元持续的、节律性的、较缓慢的电位变化)和 诱发电位(外部刺激或感觉通路刺激在大脑皮层上引起的电位变化)等组成觉诱发电位是属于脑电诱发电位的一种,是指是大脑皮质枕叶区对视觉刺激发生的电反应,是代表视网膜接受刺激,经视路传导至枕叶皮层而引起的电位变化。在根据信号的不同,可分成瞬态视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位(SSVEP)。对于瞬态诱发电位的刺激频率一般不超过4Hz,当新刺激来到之前,上一个刺激响应已经结束,各次刺激形成的响应在时间上互不重叠。而稳态视觉诱发电位的刺激频率一般超过6Hz,并且各次刺激引起的响应在时间上发生重叠。由于SSVEP有较高的信息传输率、较短的训练时间与易于提取的特征,因而比较常用。

     很多高校研究所都在研究基于SSVEP的BCI系统,清华大学在此方面取得较为瞩目的成绩。他们开发了基于SSVEP的BCI系统,可以用于控制空调、电视,实现了电话拨话等系统,并在脑电信息传输率上取得了很高的水平。在实际的SSVEP实验系统中,一般选用LCD屏幕或者LED等其他刺激光源做为受试者的刺激源,通过编程或者设计电路使得刺激源按照设定的频率做颜色翻转或者闪光刺激,受试者在某个时间段注视着某个频率的刺激源,同时脑电采集设备会采集他的脑电信号,在进行算法在线分析,得到他此时所观察的目标标签,根据这个标签,我们便可以执行相应的命令。这便是基于SSVEP的BCI系统实现的基本原理。就像大部分想法一样,看起来简单,实现起来却是不那么容易。首先,如何寻找合适的刺激模式,要保证受试者在一个舒服的状态,同时还要使采集的信号便于分析,需要去考虑。在刺激模式方面,有很多的论文,可以参考,有的直接在LCD屏幕产生黑白闪烁的白色方块,这个方块黑白翻转的方式可以有很多方法,这待探究,另外有的采用不同闪烁频率的发光二级管去做刺激源等等;其次,采集的EEG信号是否有问题,如何验证与对比,又是一个问题;最后,还有针对SSVEP的算法,除了常用的FFT、PSD与CCA等,会不会有更好的处理方法,还有如何去更进一步提高识别正确率与信息的传输率?这些问题还等我们去探究去解决!就像古老的人们梦想飞天,总有一天会实现!

    附一张图:在实验中