脑机接口技术.doc

脑机接口技术 ?编辑 脑-机接口是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道 ,通过这种通道 ,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备 ,而不需要语言或动作 ,这可以有效增强身体严重残疾[1]??的患者与外界交流或控制外部环境的能力 ,以提高患者的生活质量。脑-机接口技术是一种涉及神经科学[2]??、信号检测、信号处理[3]??、模式识别等多学科的交叉技术。 中文名脑机接口技术外文名Brain-Computer Interface Technologies 领????域科技，科学实验性????质脑电波转变为虚拟和现实世界运动 1?背景简介 ??背景 ??BCI简介 2?BCI系统原理及概念 3?BCI系统基本结构 4?BCI的分类 5?BCI关键技术 6?BCI的应用 7?结语 直接用大脑思维活动的信号与外界进行通信, 甚至实现对周围环境的控制, 是人类自古以来就追求的梦想。 自从1929年Hans Berger第一次记录了脑电图以来[4]??, 人们一直推测它或许可 以用于通信和控制, 使大脑不需要通常的媒介—外周神经和肢体的帮助而直接对外界起作用。 然而, 由于受当时整体科技水平的限制, 加之对大脑思维机制了解尚少, 这方面的研究进展甚微。 脑-机接口 Brain-Computer Interface ,BCI 技术形成于 20 世纪 70 年代 1973 年 ,Vidal [5]??,是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术. 20 多年来 ,随着人们对神经系统功能认识的提高和计算机技术的发展 ,BCI技术的研究呈明显的上升趋势 ,特别是 1999 年和 2002 年两次BCI 国际会议的召开为BCI 技术的发展指明了方向. 目前 ,BCI技术已引起国际上众多学科科技工作者的普遍关注 ,成为生物医学工程、计算机技术、通信等领域一个新的研究热点. BCI 是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统. BCI 系统可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令 ,并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制. 换言之 ,BCI 系统可以代替正常外围神经和肌肉组织 ,实现人与计算机之间或人与外部环境之间的通信[6]??。. BCI 技术的核心是把用户输入的脑电信号转换成输出控制信号或命令的转换算法. BCI 研究工作中相当重要的部分就是调整人脑和 BCI 系统之间的相互适应关系 ,也就是寻找合适的信号处理与转换算法[7]??,使得神经电信号能够实时、快速、准确地通过 BCI 系统转换成可以被计算机识别的命令或操作信号。 神经科学的研究表明 ,在大脑产生动作意识之后和动作执行之前 ,或者受试主体受到外界刺激之后 ,其神经系统的电活动会发生相应的改变. 神经电活动的这种变化可以通过一定的手段检测出来 ,并作为动作即将发生的特征信号. 通过对这些特征信号进行分类识别 ,分辨出引发脑电变化的动作意图 ,再用计算机语言进行编程 ,把人的思维活动转变成命令信号驱动外部设备 ,实现在没有肌肉和外围神经直接参与的情况下 ,人脑对外部环境的控制. 这就是 BCI 的基本工作原理。 第一次 BCI 国际会议给出的 BCI 的定义是[8]??：“脑-计算机接口 Brain Computer Interface 是一种不依赖于正常的由外围神经[2]??和肌肉组成的输出通路的通讯系统”. BCI 完全不依赖肌肉和外围神经的参与 ,直接实现脑和计算机的通信. 这对完全没有活动能力的患者 如脑中风 ,肌萎缩性 脊髓 侧索硬化 ,脑瘫等 的辅助治疗和语言功能、行为能力的恢复 ,对特殊环境中外部设备的控制 ,甚至对娱乐方式的改进都具有非常重要的意义。 基于各种不同的需求 ,人们已经设计出多种可以在实验室中进行演示的基于脑电的 BCI 原型系统[9]??.原理上 ,BCI 系统一般由输入、输出和信号处理及转换等功能环节组成. 输入环节的功能是产生、检测包含有某种特性的脑电活动特征信号 ,以及对这种特征用参数加以描述.信号处理的作用是对源信号进行处理分析 ,把连续的模拟信号转换成用某些特征参数 如幅值、自回归模型的系数等 表示的数字信号 ,以便于计算机的读取和处理 ,并对这些特征信号进行识别分类 ,确定其对应的意念活动.信号转换是根据信号分析、分类之后得到的特征信号[3]??产生驱动或操作命令 ,对输出装置进行操作 ,或直接输出表示患者意图的字母或单词 ,达到与外界交流的目的. 作为连接输入和输出的中间环节 ,信号分析与转换是 BCI 系统的重要组成部分. 在训练强度不变的情况下 ,改进信号分析与转换的算法 ,可以提高分类的准确性 ,以优化 BCI 系统的控制性能.BCI系统的输出装置