姜 耿，趙春臨

(1.武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，西安 710086； 2.武警工程大學(xué) 裝備保障與管理學(xué)院，西安 710086)

0 引言

近年來，中、美、歐等國家和地區(qū)紛紛啟動了腦科學(xué)計(jì)劃[1]。我國將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“十四五”規(guī)劃綱要重大項(xiàng)目，美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)較早展開了腦機(jī)接口(BCI，brain-computer interface)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究，特斯拉創(chuàng)始人埃隆·馬斯克創(chuàng)立的Neuralink公司在腦機(jī)接口技術(shù)前沿領(lǐng)域廣受關(guān)注。當(dāng)前，該技術(shù)已經(jīng)在康復(fù)醫(yī)療、人工智能、機(jī)械控制、家居智能、游戲娛樂、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域展開了廣泛而深入的研究。但基于腦電圖(EEG，electroencephalogram)技術(shù)的腦機(jī)接口技術(shù)相關(guān)綜述文章鮮見發(fā)表，已發(fā)文章大多是對于信號處理方法的研究現(xiàn)狀分析，對其各類應(yīng)用、發(fā)展和挑戰(zhàn)則著墨較少。

1 腦機(jī)接口技術(shù)

1.1 腦電圖(EEG)

從大腦采集電信號的方法分為植入式、半植入式和非植入式。腦電圖(EEG)[2]是從人類或動物的頭皮上記錄到的電位變化，是最常見的非侵入式大腦信號采集技術(shù)。侵入式技術(shù)和半侵入式技術(shù)具有顯著的缺點(diǎn)：手術(shù)存在風(fēng)險(xiǎn)和所記錄信號將逐漸減弱甚至消失。非侵入性電信號采集方式包括腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG，magnetoencephalography)[3]、近紅外光譜(NIRS，near-infrared spectroscopy)[4]、正電子發(fā)射型斷層顯像(PET，Positron Emission Tomography)[5]、功能性核磁共振成像(FMRI，functional magnetic resonance imaging)[6-7]等方法[8]。其中EEG信號的明顯優(yōu)勢在于它可以達(dá)到毫秒級別的高時(shí)間分辨率，可以較好的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和在線傳輸，且采集設(shè)備簡單，操作方便、安全，便于臨床使用，因此EEG技術(shù)更受重視[9-11]。

腦機(jī)接口使用的EEG信號主要有兩種：自發(fā)腦電(Spontaneous EEG)和誘發(fā)腦電(Evoked EEG)。自發(fā)式的腦電信號是通過被試主動執(zhí)行特定的大腦意識活動任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的特征電位。被試所執(zhí)行的認(rèn)知任務(wù)主要包括運(yùn)動想象(MI,moter imagery)、音樂想象(music imagery)、心算(mental arithmetic)，以及用于改變慢皮層電位(SCP,slow cortical potential)[12]的意念控制任務(wù)等。誘發(fā)腦電是在給予特定刺激(如聲、光、電)時(shí)誘發(fā)產(chǎn)生的腦電位變化，包括聽覺誘發(fā)(AEP,auditory evoked potential)[13]、視覺誘發(fā)(VEP,visual evoked potential)[14]、觸覺誘發(fā)(SEP,somatosensory evoked potential)[15]等。自發(fā)腦電具有背景噪聲強(qiáng)、信號幅度微弱、非平穩(wěn)性和隨機(jī)性強(qiáng)、頻域特征比較突出等特點(diǎn)[16]，且受被試個體差異影響較大，需要進(jìn)行大量訓(xùn)練，因此在BCI中的應(yīng)用范圍不及誘發(fā)腦電廣泛。相較于自發(fā)腦電，誘發(fā)腦電不需要經(jīng)過特別訓(xùn)練就可以獲得時(shí)間較為集中、特征更加明顯的信號，且正確率較高[17]。

1.2 腦機(jī)接口的定義

1973年，Jacques Vidal首次使用BCI這一概念，他使用該術(shù)語描述任何能夠產(chǎn)生關(guān)于腦功能詳細(xì)信息的基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)[18]。第一次BCI國際學(xué)術(shù)會議對BCI做出了比較權(quán)威的定義：是一種不依賴于大腦外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通訊控制系統(tǒng)[19-20]。它通過采集和分析人的腦電信號，在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立起直接的交流和控制通道，從而可以不需語言或肢體動作，直接通過控制大腦電信號來實(shí)現(xiàn)對外通聯(lián)或控制設(shè)備。人們通過大腦信號而不是肌肉來行動，這種可能性吸引了全球各領(lǐng)域廣泛的重視和研究，而其潛在的價(jià)值和意義也在不斷推動BCI研究這一新興領(lǐng)域的發(fā)展。圖1是近21年來關(guān)于BCI技術(shù)的科研文章數(shù)量趨勢圖，可見其近年來呈快速增長態(tài)勢。

圖1 最近21年來關(guān)于BCI技術(shù)的發(fā)文數(shù)量趨勢圖(數(shù)據(jù)來源于CNKI總庫)

1.3 基于E EG的BCI系統(tǒng)組成

基于EEG的BCI系統(tǒng)組成包含信息采集、信息處理、信號控制和反饋4個部分，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。該系統(tǒng)工作流程為：從頭皮或大腦皮層采集反應(yīng)大腦活動的EEG信號，經(jīng)過預(yù)處理(放大并數(shù)字化)后，提取EEG信號中反應(yīng)用戶意圖的相關(guān)特征，將其轉(zhuǎn)換為可以控制外部應(yīng)用設(shè)備的命令，如光標(biāo)控制、輪椅轉(zhuǎn)動等。反饋環(huán)節(jié)可以將命令實(shí)施的具體結(jié)果反饋至用戶，可以有效增強(qiáng)交互效果[21]。

圖2 基于EEG的BCI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1)信號采集：信號采集模塊負(fù)責(zé)采集和放大腦源信號，并將信號傳送至信號處理模塊。該部分主要包括電極帽、放大器、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器。

2)信號處理：信號處理模塊是BCI系統(tǒng)的核心部分，主要過程包括信號預(yù)處理、特征提取、分類識別。預(yù)處理是通過主成分分析(PCA)、獨(dú)立成分分析(ICA)、非線性濾波等方法最大程度去除信號中的噪音干擾，提高EEG信號的信噪比。特征提取和分類識別過程是從繁復(fù)無章的背景信息中提取出所需的源信號并將這些信息轉(zhuǎn)化為簡單的控制命令，這需要較好的信號處理技術(shù)和針對性的分類算法[8, 10]。

3)設(shè)備控制：設(shè)備控制模塊是BCI系統(tǒng)的輸出端，可以將EEG信號轉(zhuǎn)換為設(shè)備操作的控制命令。當(dāng)前應(yīng)用于醫(yī)療和研究的主要輸出設(shè)備包括機(jī)械臂、計(jì)算機(jī)屏幕、應(yīng)用程序、無人機(jī)和輪椅等。

4)反饋：反饋環(huán)節(jié)將操作結(jié)果及時(shí)反饋至被試，可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行終端出現(xiàn)問題時(shí)，及時(shí)的反饋能夠幫助被試及時(shí)調(diào)整狀態(tài)，增加了系統(tǒng)的人機(jī)交互性，也提高了系統(tǒng)的工作效率。

2 基于EEG的BCI系統(tǒng)及其應(yīng)用

本文重點(diǎn)討論基于EEG的單一模式的BCI系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的主要研究方向包括基于慢皮層電位(slow cortical potential，SCP)的BCI、基于運(yùn)動想象(MI,motor image)電位的BCI、基于事件相關(guān)電位(ERP,event-relate potential)P300的BCI和基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP,steady-state visual evoked potential)的BCI等[21]。其中， SCP-BCI系統(tǒng)在腦機(jī)接口發(fā)展初期研究中占主導(dǎo)地位，并且在一些臨床研究中投入應(yīng)用。但由于該系統(tǒng)需要大量訓(xùn)練且ITR較低[22]，因此學(xué)者們基本放緩了對該系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，因此本文不作討論。

2.1 基于MI的BCI系統(tǒng)

基于運(yùn)動想象(MI)的BCI是以感覺運(yùn)動節(jié)律(SMR,sensorimotor rhythm)信號[23]作為輸入的BCI。SMR信號相伴運(yùn)動或感知運(yùn)動產(chǎn)生，包括μ節(jié)律(頻率為8～12 Hz)、β節(jié)律(頻率為18～26 Hz)等，但主要以μ節(jié)律為主。研究表明[24]，在進(jìn)行運(yùn)動準(zhǔn)備、想象或執(zhí)行活動時(shí)，大腦對側(cè)的μ節(jié)律會減弱，而在空閑狀態(tài)時(shí)則會增強(qiáng)，這種現(xiàn)象被稱為事件相關(guān)去同步(ERD,event-relate desynchronization)和事件相關(guān)同步(Event-relate synchronization，ERS)。ERD/ERS事件即出現(xiàn)在產(chǎn)生于大腦皮層的μ節(jié)律和β節(jié)律的頻率范圍[25]。

奧地利Graz技術(shù)大學(xué)的BCI研究室最早提出事件相關(guān)去同步/同步(ERD/ERS)概念來區(qū)分運(yùn)動想象任務(wù)[24]，對該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出包括計(jì)算機(jī)游戲、拼寫設(shè)備、功能性電子刺激器和虛擬環(huán)境控制等BCI系統(tǒng)[16, 26-27]。在該類BCI系統(tǒng)中對SMR信號的主要應(yīng)用方法是根據(jù)ERD/ERS在大腦皮層的空間分布特異性來識別大腦的運(yùn)動想象狀態(tài)。目前主要的運(yùn)動想象任務(wù)有想象左手、右手、雙腳和舌頭的運(yùn)動，加上空閑狀態(tài)則可以產(chǎn)生5種腦狀態(tài)。不同狀態(tài)結(jié)合，可用來實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的運(yùn)動控制。

2014年，美國Tulsa大腦研究所的Yuan和Minnesota大學(xué)的He通過基于運(yùn)動想象和實(shí)際運(yùn)動的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過腦電操作外接設(shè)備完成溫度調(diào)節(jié)、光標(biāo)移動等任務(wù)[23]。

2019 年，清華大學(xué)的張文昌等人將機(jī)器人自動控制技術(shù)和BCI技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了一種基于運(yùn)動想象的異步 BCI 共享控制系統(tǒng)，被試在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了通過運(yùn)動想象操控機(jī)器手避障抓取實(shí)物的功能，且準(zhǔn)確率達(dá)到了80%[28]。

Donati 等人利用基于運(yùn)動想象的 BCI 控制下肢外骨骼對 8 例慢性脊髓損傷(SCI)患者進(jìn)行了為期12個月的多階段步態(tài)神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練。其結(jié)果顯示患者已經(jīng)喪失功能的部分肌肉恢復(fù)了自主控制，具備了部分活動能力。該實(shí)驗(yàn)證明通過腦控假肢可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能恢復(fù)，且在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[29]。另外，我國清華大學(xué)智能與生物機(jī)械實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的上肢康復(fù)輔助機(jī)器人和上海交通大學(xué)機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦控外骨骼設(shè)備，均可以實(shí)現(xiàn)通過解析患者運(yùn)動意圖來實(shí)現(xiàn)對患者進(jìn)行輔助訓(xùn)練，以幫助患者神經(jīng)康復(fù)[30]。

除了上述的幾種應(yīng)用外，SMR控制信號還被應(yīng)用于包括仿生機(jī)械手[31]、虛擬無人機(jī)[32]、四軸飛行器[33]、家居設(shè)備[34]等控制對象，目前該類范式已經(jīng)成為四肢癱瘓、脊髓損傷和肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)患者最有希望的治療模式之一。

由于自發(fā)腦電信號存在很多不確定性和不穩(wěn)定性，因此還存在著信號解碼準(zhǔn)確率低、個體差異性大和在線性能差等問題，使用SMR節(jié)律的人員可能要數(shù)月的時(shí)間來學(xué)習(xí)如何調(diào)節(jié)大腦的神經(jīng)活動來控制光標(biāo)或設(shè)備，部分腦發(fā)育水平較低的人群甚至無法按照系統(tǒng)要求通過運(yùn)動想象來完成規(guī)定動作[35]，這些問題制約了該類系統(tǒng)的發(fā)展。

2.2 基于事件相關(guān)電位P300的BCI系統(tǒng)

P300是一種事件相關(guān)電位(ERP)[36-37]，在1965年首次被發(fā)現(xiàn)。它是EEG信號在刺激出現(xiàn)之后300毫秒左右產(chǎn)生的正向偏移，并因此而得名[38]。相關(guān)刺激事件發(fā)生的概率越低，所出現(xiàn)的P300波形越顯著。視覺刺激是P300最常用的誘發(fā)模式，但學(xué)者對觸覺刺激范式也有不少研究[39]。

P300拼寫器是一種允許用戶使用腦電輸入文字的典型BCI文字輸入系統(tǒng)，是P300信號最常見的應(yīng)用，對患有肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)[40]和腦中風(fēng)[41]的人的治療有很好的輔助作用。早在1988年，Illinois大學(xué)的Farewell等人就利用P300事件相關(guān)電位設(shè)計(jì)出了虛擬打字機(jī)[42]。該系統(tǒng)是將36個備選目標(biāo)(英文字母或數(shù)字等)在屏幕上顯示為6×6矩陣，如圖 3所示。被試只需要注視屏幕的行列閃爍，就可以誘發(fā)腦電刺激，產(chǎn)生P300信號，對比行列的閃爍時(shí)間和P300出現(xiàn)時(shí)間，就可以完成目標(biāo)的選擇。美國Wadworth研究中心、我國浙江大學(xué)求是高等學(xué)院均研究出了實(shí)用的基于P300的字符或中文輸入系統(tǒng)，可作為癱瘓患者的臨床輔助應(yīng)用。李遠(yuǎn)清等人還設(shè)計(jì)了一種新的基于三維立體視覺刺激的P300拼寫范式，顯著提高了P300拼寫系統(tǒng)的分類準(zhǔn)確率和ITR，有效減少了用戶的工作量[43]。近年來，P300拼寫系統(tǒng)研究者著力于通過改進(jìn)算法、改進(jìn)誘發(fā)界面或模式、提出新的混合模式等方法來嘗試進(jìn)行技術(shù)突破[44-45]，拼寫器的拼寫速度、應(yīng)用舒適度、人機(jī)交互性均有很大提升[46]。

圖3 P300-BCI使用的6×6刺激界面

除了應(yīng)用于拼寫器外，P300信號在網(wǎng)頁瀏覽[47-48]、身份驗(yàn)證[49]、游戲領(lǐng)域[50]、輪椅控制[51]、家居智能[52]、手部矯形器控制[53]等方面均有應(yīng)用。

Nikhil Rathi等人設(shè)計(jì)了一款基于P300信號的身份驗(yàn)證系統(tǒng)，用一種新的2×2畫筆拼寫替代了傳統(tǒng)的6×6字符拼寫器[49]。

王飛等人設(shè)計(jì)了一款名為MindGomoku的基于P300信號的在線BCI游戲[50]。該游戲采用貝葉斯卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，將游戲規(guī)則和BCI系統(tǒng)的特點(diǎn)相結(jié)合，參與實(shí)驗(yàn)的10名玩家均成功完成了游戲控制且平均準(zhǔn)確率達(dá)到了90.7%。

COIMBRA大學(xué)系統(tǒng)與機(jī)器人研究所的Aniana Cruz等人設(shè)計(jì)了一種基于P300信號的BCI輪椅控制系統(tǒng)[51]，該系統(tǒng)允許用戶在空閑狀態(tài)和控制狀態(tài)之間自由切換。在7名健康人和6名殘疾人參與的實(shí)驗(yàn)中，所有被試者均在辦公室環(huán)境中成功操控輪椅完成既定動作。

P300信號還可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。Al-Nuaimi等人提出了一種利用基于P300的BCI控制無人機(jī)的方法[54]，可以作為輔助技術(shù)在無人機(jī)偵察和打擊等任務(wù)中發(fā)揮作用。

常用的P300-BCI最重要的優(yōu)點(diǎn)是大多數(shù)被試者都可以非常準(zhǔn)確地使用它，并且可以在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且其信號穩(wěn)定、便攜易用。但同時(shí)也存在視覺P300-BCI系統(tǒng)ITR較慢，需要被試高度注意并引起視覺疲勞的問題，因此應(yīng)用范圍較窄[46]。在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域多應(yīng)用于對其他輔助通信技術(shù)有障礙的重度殘疾患者，而在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用也因其控制性能較差或易引起疲勞而難以得到廣泛推廣。

2.3 基于SSVEP的BCI系統(tǒng)

穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)由持續(xù)波動的刺激(重復(fù)頻率大于6 Hz)產(chǎn)生。當(dāng)屏幕上的目標(biāo)以不同頻率的視覺刺激進(jìn)行閃爍時(shí)，被試只需要注視閃爍目標(biāo)，就可以在大腦的枕葉區(qū)測到同樣頻率的EEG信號，這一信號被稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)[55]。通過分析刺激后大腦產(chǎn)生的腦電信號的頻譜特征，系統(tǒng)就可以選擇被試所注視的目標(biāo)并執(zhí)行相應(yīng)操作?？捎糜赟SVEP的視覺刺激頻率一般在6～50 Hz，分為低頻段(6～12 Hz)、中頻段(12～30 Hz)、高頻段(30～50 Hz)。視覺刺激光源通常由獨(dú)立的發(fā)光二極管(LED)，或者CRT、LCD、LED電腦顯示器等設(shè)備提供。目前，為了使用者更加易用和便攜，越來越多的研究者使用全息Holo Lens眼鏡等智能便攜式AR設(shè)備作為視覺刺激器[56-58]。

基于SSVEP-BCI的字符拼寫器具有較為廣泛的研究和應(yīng)用[59]。其中最著名的范例是Bremen Speller[60]，其原理是將所有目標(biāo)顯示在屏幕上，并使用5個框來控制光標(biāo)，如圖 4所示。5個光標(biāo)顯示框通過不同的頻率閃爍，引起被試不同的視覺刺激反應(yīng)。最初相關(guān)研究的平均準(zhǔn)確率為22.6 bpm，后來Volosyak等研究者相繼對其進(jìn)行改進(jìn)[61]，其識別準(zhǔn)確率不斷提升。發(fā)展至今，基于SSVEP-BCI的高速拼寫器得到了快速發(fā)展。天津大學(xué)的明東團(tuán)隊(duì)為提高基于SSVEP-BCI的高速拼寫器的實(shí)用性，通過改進(jìn)腦電數(shù)據(jù)采集設(shè)備、刺激設(shè)備和濾波器，優(yōu)化濾波過程和程序，大大提高了在線拼寫識別率水平，其平均水平達(dá)到了330.4±45.4 bpm[62]。

圖4 此為經(jīng)典Bremen拼寫器界面，5個目標(biāo)顯示框以不同頻率閃爍，引起不同的視覺刺激反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)字符輸入。摘自文獻(xiàn)[61]

陳曉剛等人將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、計(jì)算機(jī)視覺和SSVEP-BCI相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個機(jī)械臂控制系統(tǒng)。用戶只需要通過SSVEP-BCI系統(tǒng)將任務(wù)傳達(dá)至計(jì)算機(jī)，機(jī)械臂即可借助計(jì)算機(jī)視覺自行抓取對象[63]。另外，羅志國等人在不借助計(jì)算機(jī)視覺的情況下，在AR環(huán)境下用戶界面同時(shí)顯示機(jī)械臂和視覺刺激界面的控制方式也被證明是一種有效可行的人機(jī)交互方式[57]。

Yang Dalin等人在2020年設(shè)計(jì)開發(fā)了一個用于家庭自動控制的混合腦機(jī)接口系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的SSVEP刺激界面選擇指令基礎(chǔ)上，結(jié)合眨眼方式校準(zhǔn)指令，其實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到了96.92% ，可以很好的應(yīng)用于輪椅和機(jī)械臂上[64]。

Miguel Angel L-G等人提出了一種由SSVEP-BCI控制的通過注意力驅(qū)動的視頻游戲[65]。游戲模擬了一種戰(zhàn)斗場景，敵人的攻擊被設(shè)計(jì)為一個移動的閃爍環(huán)形棋盤，在游戲過程中，如果檢測到玩家對敵人的攻擊注意力足夠集中，則該次攻擊就可以避免。該款游戲不僅可以作為娛樂用途，更可以應(yīng)用于存在注意力障礙的學(xué)生或其他人群中。

SSVEP-BCI在軍事領(lǐng)域也有應(yīng)用。Li-Wei Ko等設(shè)計(jì)了一款基于SSVEP-BCI的智能頭盔[66]，計(jì)劃將這種頭盔用于支持士兵在作戰(zhàn)行動時(shí)實(shí)現(xiàn)腦控通信或遙控設(shè)備等額外任務(wù)。北京航空航天大學(xué)的鄭德智等人設(shè)計(jì)了一種基于SSVEP腦機(jī)接口的單兵作戰(zhàn)無人武器控制系統(tǒng)[67]，使士兵在作戰(zhàn)時(shí)不用雙手就可以操作各類武器。

除了上述各類應(yīng)用外，SSVEP-BCI系統(tǒng)還被用于二維游戲?qū)Ш絒68]，甚至被用于通過人腦對蟑螂行動實(shí)施導(dǎo)航[69]。

與P300和MI等BCI系統(tǒng)相比，SSVEP在信息傳輸率(ITR)和識別準(zhǔn)確率方面更具優(yōu)勢，可以比事件相關(guān)電位更可靠地分類，且不需要對被試進(jìn)行訓(xùn)練，可操作性強(qiáng)，不易受到運(yùn)動偽影的影響。屏幕刺激以許多不同的頻率閃爍，可以產(chǎn)生更多命令通道來控制外接設(shè)備。因此SSVEP-BCI技術(shù)在BCI領(lǐng)域得到了更為廣泛的關(guān)注[70]。但要實(shí)現(xiàn)SSVEP-BCI系統(tǒng)更快地從實(shí)驗(yàn)走向?qū)嶋H應(yīng)用，還需要重點(diǎn)解決以下幾個問題：

1)實(shí)現(xiàn)腦接接口信息采集設(shè)備的舒適性、易用性和便攜性。

2)該類范式需要高度精確的眼睛控制，尤其在低頻閃爍時(shí)容易引起視覺疲勞[71]，開發(fā)者必須盡量減少被試在使用設(shè)備時(shí)因視覺刺激帶來的不適。

3)研究更加高效智能的高速SSVEP-BCI系統(tǒng)，提高屏幕刷新頻率和信息在線傳輸速率。

3 基于EEG的BCI系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

基于腦電圖(EEG)技術(shù)的BCI系統(tǒng)為那些不能通過正常渠道實(shí)現(xiàn)與外界溝通的患者提供了一種新的通信和控制方式，也為正常人實(shí)現(xiàn)智能環(huán)境控制提供了新的思路。盡管國內(nèi)外學(xué)者對基于EEG的BCI系統(tǒng)展開了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，但腦機(jī)接口技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向軍事和商業(yè)應(yīng)用，還面臨著較大的技術(shù)和人文挑戰(zhàn)[1, 72]。

1)依賴于腦電圖(EEG)技術(shù)的發(fā)展。在所有腦監(jiān)測技術(shù)中，腦電圖技術(shù)因其低成本而具備面向普通民眾市場普及的商業(yè)化潛力[73]。但由于缺乏對腦電信號中信息編碼的潛在神經(jīng)機(jī)制的了解，腦電信號和各類感官刺激之間的復(fù)雜關(guān)系，仍然是神經(jīng)科學(xué)、人體工程學(xué)等領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。神經(jīng)信號采集過程中存在的低信噪比、腦電圖非線性、非平穩(wěn)性、容易產(chǎn)生偽影等問題同樣制約著腦電圖技術(shù)的發(fā)展。但目前已有學(xué)者將腦電圖技術(shù)用于駕駛員的疲勞檢測[74]，與之相關(guān)的便攜式可穿戴EEG耳機(jī)也已開發(fā)出來[75-76]，可用于睡眠質(zhì)量和認(rèn)知功能等方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測，NeuroSky、BrainCo、Brainno等公司都在做這方面的研究。盡管如此，但便攜式腦電采集設(shè)備使用的干電極技術(shù)同樣存在局限性，如運(yùn)動偽影和環(huán)境噪音難以避免，人體對設(shè)備穿戴的不適、設(shè)備微型化存在困難等問題。進(jìn)一步加深對該領(lǐng)域的研究，有助于盡早實(shí)現(xiàn)通過無線穿戴設(shè)備來破譯大腦密碼，并促進(jìn)基于EEG的腦機(jī)接口系統(tǒng)在現(xiàn)有水平上的應(yīng)用。

2)信號處理技術(shù)制約BCI系統(tǒng)的發(fā)展。信號處理技術(shù)的關(guān)鍵在于特征提取和分類識別算法。已經(jīng)研究應(yīng)用的特征提取算法主要包括時(shí)域分析(幅值分析、波形分析、相干平均分析)、頻域分析(傅里葉變換、功率譜)、時(shí)頻分析(連續(xù)小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)及共空間模式(CSP,common spatial pattern)等其他分析方法[21]。目前應(yīng)用的主要分類識別方法主要有線性判別分析(LDA，linear discriminant analysis)、支持向量機(jī)(SVM，support vector machine)和樸素貝葉斯分類器等[32]。盡管這些算法被證明在一定條件下是行之有效的，但BCI系統(tǒng)存在的被試者個體差異大、訓(xùn)練集小、信噪比低等問題仍未得到根本性解決，這些問題影響著BCI系統(tǒng)的分類準(zhǔn)確率、信息傳輸率(ITR)等重要技術(shù)指標(biāo)。這需要學(xué)者們不斷研究和改進(jìn)魯棒性和復(fù)雜度更高的腦電信號解碼算法，以實(shí)現(xiàn)對腦電信號的高效、準(zhǔn)確處理。

3)BCI系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用水平有待開發(fā)。由于腦電圖測量的復(fù)雜性，將BCI系統(tǒng)從控制良好的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境轉(zhuǎn)換到現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境仍然具有挑戰(zhàn)性。目前已經(jīng)投入使用的少量BCI系統(tǒng)主要集中在游戲領(lǐng)域，且能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的外控設(shè)備及其功能十分簡單。而在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用則大多停留在臨床和實(shí)驗(yàn)階段，其他領(lǐng)域的應(yīng)用則因BCI系統(tǒng)的造價(jià)昂貴、可靠性低、人機(jī)交互性差、便攜性不足等缺點(diǎn)而難以廣泛推廣。另外，健康人和腦部疾病患者的大腦信號存在很大差異，其認(rèn)知水平同樣差異較大，用戶的不同應(yīng)用需求也為系統(tǒng)開發(fā)者帶來了較大的挑戰(zhàn)。一個實(shí)用的BCI系統(tǒng)必須滿足良好的用戶體驗(yàn)和穩(wěn)定的系統(tǒng)性能的要求[73]。因此，在應(yīng)用端如何實(shí)現(xiàn)BCI系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性，提升用戶的使用舒適度和操作便捷性都是研究者必須面臨的挑戰(zhàn)。

4)腦機(jī)接口面對的倫理問題不可忽視。BCI可以讀取和解碼人的大腦信息，這些神經(jīng)特征信息包含著人的思想、情感、利益等個人隱私，這將存在個人隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。由于設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷，會存在可能的技術(shù)漏洞，這為黑客攻擊帶來了可能，BCI使用者會面臨信息被盜、意志被控制或損害、被欺騙等威脅。高技術(shù)帶來的不公平性和偏見同樣存在。BCI 和智能增強(qiáng)已經(jīng)被證明可以讓用戶獲得更強(qiáng)的認(rèn)知和行動能力，這會讓使用者在不同財(cái)力、不同階層的競爭中導(dǎo)致明顯的社會優(yōu)勢，可能擴(kuò)大貧富差距，加劇不公平性。同時(shí)，普通人對那些因使用BCI技術(shù)而獲得智能或技能增強(qiáng)的人可能存在歧視或偏見，這是一種可以預(yù)見的可能傷害。建議相關(guān)人員及時(shí)研究制定新的倫理準(zhǔn)則，以促進(jìn)腦機(jī)接口技術(shù)的科學(xué)發(fā)展。

總之，腦機(jī)接口是一個跨學(xué)科的領(lǐng)域，包含神經(jīng)科學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)等。該技術(shù)的發(fā)展需要基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)等多個領(lǐng)域的研究突破，同時(shí)也需要解決可能面臨的倫理困境。

4 結(jié)束語

本文綜述了基于EEG的BCI系統(tǒng)的發(fā)展概況，重點(diǎn)對基于運(yùn)動想象電位(MI)、事件相關(guān)電位P300和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)的3種BCI系統(tǒng)的基本原理和當(dāng)前研究、應(yīng)用的主要方向進(jìn)行了歸納梳理，將3種范式進(jìn)行了對比分析，提出了各類范式的優(yōu)缺點(diǎn)和研究中面臨的主要問題。其中基于SSVEP的BCI系統(tǒng)在信息傳輸率、識別準(zhǔn)確率和可操作性等方面具有較為顯著的優(yōu)勢，使用EEG的BCI研究者們的主要研究方向，應(yīng)用范圍更為廣泛。在應(yīng)用層面的技術(shù)選用上，通常根據(jù)患者或健康人的不同需求而選擇。臨床應(yīng)用上，會根據(jù)不同患者的腦損傷程度和特定需求，結(jié)合不同情況，選擇最合適的范式來正確操作神經(jīng)假體或神經(jīng)康復(fù)設(shè)備。如有些MI盲人員無法通過運(yùn)動想象完成任務(wù)，視覺神經(jīng)損傷人群不能使用視覺誘發(fā)，運(yùn)動神經(jīng)損傷者普遍使用MI-BCI來刺激運(yùn)動神經(jīng)恢復(fù)。而在健康人的應(yīng)用研究上，則以高速率的信息傳輸和設(shè)備穿戴方便、便于操作作為主要考量因素，各類范式的學(xué)者們正在致力于優(yōu)化BCI系統(tǒng)性能以加快該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用。本文還從技術(shù)研究、應(yīng)用需求和倫理風(fēng)險(xiǎn)等方面分析了基于EEG的BCI系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，提出了制約系統(tǒng)發(fā)展的重難點(diǎn)問題，尤其是一些不可預(yù)見的倫理挑戰(zhàn)，必須引起相關(guān)研究者的足夠重視。

盡管基于EEG的腦機(jī)接口技術(shù)還存在較多的技術(shù)困難有待攻克，但其發(fā)展前景仍然十分廣闊。在技術(shù)層面上，除了不斷提升EEG采集技術(shù)和研究改進(jìn)高復(fù)雜度的算法外，基于EEG的混合腦機(jī)接口(hybrid，hBCI)是當(dāng)前學(xué)者們尋求技術(shù)突破的一個主要研究方向，包括基于多種范式的hBCI、基于多種感官刺激的hBCI、基于多種信號的hBCI。研究證明[77]，該種方法在當(dāng)前技術(shù)下可以有效提高BCI系統(tǒng)的分類準(zhǔn)確率和ITR，尤其在系統(tǒng)性能和靈活性上具有顯著優(yōu)勢。

在應(yīng)用領(lǐng)域上，EEG技術(shù)及設(shè)備因?yàn)楸阌诓杉幚砗推浔銛y性受到游戲和軍事領(lǐng)域的重視，具備巨大的市場前景。目前，腦機(jī)接口在軍事上的應(yīng)用已占全球腦機(jī)接口總應(yīng)用的 25%[78]。根據(jù)已經(jīng)公開的資料顯示，美、歐等國家和地區(qū)均在努力進(jìn)行該領(lǐng)域的研究。美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)一直在資助BCI領(lǐng)域的創(chuàng)新科學(xué)研究和發(fā)展[79]，提出了包括“無聲計(jì)劃”[80]、 “阿凡達(dá)計(jì)劃”等研究項(xiàng)目，目的是研發(fā)可以實(shí)施戰(zhàn)場腦意念通信和可以遠(yuǎn)程腦意念控制的“機(jī)器戰(zhàn)士”，他們還計(jì)劃開展以控制神經(jīng)元增強(qiáng)士兵認(rèn)知和決策能力為目的下一代無外科手術(shù)神經(jīng)技術(shù)項(xiàng)目。英國研究人員也致力于腦控飛船的腦機(jī)接口裝置研究[81]。通過BCI技術(shù)實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)時(shí)指揮控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)具備強(qiáng)大作戰(zhàn)功能的機(jī)械外骨骼“超級戰(zhàn)士”，士兵通過意念直接控制武器，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)后受傷士兵的認(rèn)知功能恢復(fù)[80, 82]等都是各國在BCI在軍事領(lǐng)域的重點(diǎn)研究的應(yīng)用方向。我國國防科技大學(xué)也致力于腦機(jī)接口技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究，其認(rèn)知科學(xué)基礎(chǔ)研究與創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)通過“意念”控制機(jī)器人行動和駕駛汽車，清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校研究的利用腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行癱瘓患者康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備和技術(shù)在臨床上已經(jīng)初見成效，這將為戰(zhàn)后傷員救治和康復(fù)提供新的治療方式。各個國家軍事力量的競爭將有效促進(jìn)BCI技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

BCI與人工智能技術(shù)的深度融合，實(shí)現(xiàn)新的混合智能系統(tǒng)，是腦機(jī)接口性能尋求突破的必然方向。Facebook公司早已展開對腦機(jī)接口技術(shù)的研究，該公司創(chuàng)始人扎克伯格近期宣布將在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)Facebook向元宇宙(Metaverse)公司的轉(zhuǎn)型，這將為腦機(jī)接口的應(yīng)用帶來更為廣闊的領(lǐng)域：BCI技術(shù)在元宇宙中與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)現(xiàn)深度交互。盡管有些場景仍顯得遙不可及，但在應(yīng)用端的廣闊前景將快速推動學(xué)者們的研究進(jìn)度，我們將很快看到相關(guān)技術(shù)的突破性進(jìn)展。