1、2021/3/151脑-机接口概述2021/3/152研究背景u肌萎缩性脊髓肌萎缩性脊髓侧索侧索 硬化症硬化症u脑中风脑中风u脑或脊髓损伤脑或脊髓损伤u脑瘫脑瘫u其他疾病其他疾病2021/3/153脑-机接口的定义脑机接口脑机接口（英语:brain-computer interfacebrain-computer interface,简称BCIBCI;有时也称作direct neural interfacedirect neural interface或者brain-machine interfacebrain-machine interface）,是在人或动物脑与外部设备间创建的直接连接通路
2、。不依赖于脑的正常输出通路(外周神经系统及肌肉组织)的脑-机(计算机或其它装置)通讯系统。2021/3/154第一章第一章 绪论绪论-研究背景研究背景2021/3/155BCI的基本构成信号信号采集采集信信 号号预处理预处理特征特征提取提取分类分类外部外部设备设备2021/3/156脑电记录方法功能核磁共振功能核磁共振（fMRI）近红外线成像近红外线成像（fNIR)脑磁图脑磁图(MEG）正电子发射断层成像正电子发射断层成像（PET）脑电图脑电图（EEG）2021/3/157BCI分类基于视觉诱发电位的BCI基于P300信号的BCI基于皮层慢电位的BCI基于感知运动节律的BCI2021/3/15
3、8基于视觉诱发电位的BCI研究表明,当受到一个固定频率的视觉刺激的时候,人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关(刺激频率的基频或倍频处)的响应。这个响应被称为稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP),它可以可靠的应用于脑-机接口系统(BCIs)。2021/3/159目前使用较多的是ssVEP,典型的研究机构有美国wright Patterson空军基地和清华大学。wrightPatterson空军基地的McMillan和Calhoun对SSVEP进行了研究,并利用SSVEP实现了对飞行模拟器的控制。国内清华大学在VEP这
4、方面取得了一定的成绩,开发了基于ssVEP的BCI系统,该系统能够通过脑电信号控制空调和电视,甚至启动语音播放器和拨打电话等;他们又利用VEP成功开发出一套“脑控电话拨号系统”。国内重庆大学何庆华等人一。设计了基于同频次复合刺激方式的脑机接口系统。2021/3/1510清华大学脑机接口用“思维”来控制电器开关和物体移动,这种科幻电影里面的景象如今被我国科学家通过“脑机接口技术”变成了现实。现在做的测试是用“思维”来拨打电话。测试者只需盯着键盘上某个按不同频率在闪烁的数字,电脑就会自动把这个数字拨出来。2021/3/15112021/3/1512基于P300信号的BCIERP是人类受到某种外界刺
5、激或进行特殊心理活动时,因脑神经元活动而产生的特定EEG变化P300一ERP是由小概率事件(视觉、听觉、触觉等形式)诱发的一种ERP,因对应于事件发生约300毫秒后EEG中的一个正电位波形而得名基于P300电位的BCI利用特定的事件刺激序列,诱发使用者的P300电位,通过P300的发生时刻来判断用户的意识活动这种类型的BCI特别适合从多个选项中选择一个目标的操作2021/3/15132021/3/1514基于皮层慢电位的BCI皮层慢电位（SCP）是持续时间为几百毫秒到几秒的皮层电位变化,是脑电信号中从300毫秒持续到几秒钟的大的负电位或正电位,能反映皮层I和II层的兴奋性,被试通过反馈训练学习
6、,可以自主控制SCP幅度产生正向或负向偏移。健康人可以经过训练控制大脑中慢皮层电位的变化,平静时为正向,进行某种心理活动时为负向,这被称为慢皮层电位的自调整。2021/3/1515基于感知运动节律的BCI运动感知节律由 和 节律组成,它们是脑活动位于 频带（7-13赫兹）,频带（13-30赫兹）的波动。大脑的活动和运动任务相关的时候,感觉运动节律会发生改变,更为重要的是,仅仅是进行运动想象也会反应在感觉运动节律的变化当中。2021/3/1516事件相关去同步/同步当执行或仅仅是想象运动时,通常会伴随着特定频率带能量的降低,这种现象被命名为事件相关去同步（Event-related desync
7、hronization,ERD）;相反的,运动之后能量的增加则意味着事件相关同步（Event-related synchronization,ERS）现象的发生。2021/3/15172021/3/15182021/3/15192021/3/15202021/3/15212021/3/1522The data show that hand motor imagery induced in a significant mu ERD in all subjects,whereas foot and/or tongue motor imagery revealed a significant ERS
8、 in a number of subjects only.The most reactive frequency components varied between 9 and 14 Hz and are found at all central electrode positions and motor tasks.2021/3/1523目前比较著名的基于运动想象的BCI研究有Wadsworth BCI,Berlin BCI,Graz BCI等2021/3/1524几个比较著名的脑-机接口奥地利Graz理工大学Pfurtscheller等人采用事件相关同步/去同步电位作为BCI信号输入。在
9、这套系统中,受试者可以控制光标的移动。视频2021/3/1525美国Wadsworth中心Wolpaw等人训练受试者自由调节自身 节律,并通过 节律的变化来实现光标移动、字母拼写和假肢控制等功能。由于灵活控制自身 节律变化比较困难,所以并不是每个受试者都能学会使用这套装置。2021/3/1526德国Tbingen大学Birbaumer等人设计了一个名为思想翻译器（Thought Translation Device,TTD）的装置,通过慢皮层电位的变化来实现对外界的控制,使用视觉反馈,实现了字母拼写等功能。2021/3/1527美国伊利若斯大学Farwell和Donchin采用P300诱发电位
10、作为BCI信号输入。在计算机显示屏上显示一个66包含36个字母的格子,使用者要求选择一个特定字母,每行和每列都在闪烁,频率为10Hz,计算对每行和每列闪烁的平均反应,测量P300幅值。对包含特定字母的行和列的反应幅度最大,根据这个特性就可以从P300诱发电位中“找到”特定字母。2021/3/1528美国Smith-Kettlewell视觉科学研究所Sutter等人设计的脑反应接口以对视觉刺激反应中所产生的视觉诱发电位作为BCI信号输入,通过诱发电位选择计算机显示屏上某一特定部分,进而可以实现选择的功能。2021/3/1529我国清华大学高上凯等人深入分析了稳态视觉诱发电位（SSVEP）的特征和
11、提取方法,设计了具有高传输速率的基于稳态视觉诱发电位的脑机接口系统,可用于残疾人的动作控制或环境设备控制等领域。2021/3/15302021/3/1531脑机接口面临的问题与挑战目前提出的方法很多,但是不是所有的方法都能在实际的系统中应用,因为真正实用的系统必须能实现实时的在线处理,还要解决个体参数优化、“脑”与“机”交互适应、“休闲状态”。2021/3/1532脑电信息的解析信号的实时在线处理个体参数优化的问题脑-机交互适应学习的问题异步的BCI系统工作模式2021/3/1533实用化的系统设计系统工作稳定可靠用户在使用中方便舒适系统可便携且价格便宜2021/3/1534脑-机接口产品2021/3/15352021/3/15362021/3/15372021/3/15382021/3/1539我们BCI所作的工作脑疲劳基于ALPHA波的BCI基于运动想象的BCI基于视觉稳态刺激的BCI
