研究的进展

第三节　BCI研究的进展

根据人脑和机器的契合程度，BCI分为植入式、部分植入式和非植入式三种。其中植入式和部分植入式由于存在对被使者产生创伤的危险，因此BCI也经常被分为有创伤和无创伤两类。

无创伤式BCI系统，按应用目的可分为神经修补系统、信息交流系统和环境控制系统等。所采用的信息载体有稳态视觉诱发电位(SSVEP)、慢皮层电位(SCP)、p300以及频域的μ、β节律等。由于采用头皮电极记录EEG信号作为通信载体，其优点是无损、简单地实现脑机交互，易于为用户所接受。缺点是信号模糊，信噪比小，信息量少，受环境干扰影响较大，使得改善准确性及提高通信速率成为主要的挑战。

2000年，Pfurtscheller等人介绍了一个用大脑自主思维控制光标运动的实验。Donchin等人采用P300构建了一个字符输入系统。另外，还有人利用稳态视觉诱发电位(SSVEP)实现了对屏幕菜单的选择。2002年，清华大学高上凯教授等人开发出了一个利用SSVEP实现电话拨号的实验系统，2003年他们又实现了利用BCI对诸如电灯、电视、电话等室内环境的控制。2006年，清华大学成功地实现用脑电控制机器狗踢球(见图1-2);在2007年举行的Orga Techno 2007国际会议上，展示了一款利用脑电波玩乒乓球的游戏(见图1-3)。

图1-2　用脑电波控制机器狗踢球

(资料来源于网络:http://blog.sina.com.cn/s/blog_447c7f45010004ae.html)

图1-3　用脑电波玩乒乓球游戏

(资料来源于网络:http://media.ccidnet.com/art/2619/20070803/1166839_1.html)

有创伤式BCI系统采用电极植入技术，故又称植入式脑机接口。从脑部信息的流向来看，分为两种类型:一是以记录的脑电信号与外界通信或控制外部环境及设备的输出式系统;二是通过植入刺激电极于感知运动区、听觉或视觉皮质，以恢复或增强人的感官功能，甚至实现对思维或情绪的某种控制，这种系统称为植入式系统。植入式脑机接口是一种有损伤的技术，其优点是电极离信源很近，能精确地反映脑部的电活动，信息量大，信噪比高。

植入式脑机接口一直是BCI研究的一个亮点，其研究成果在Nature等权威刊物有过报道。目前的研究多以动物做实验，已实现了对光标、游戏杆、机械臂、运动小车等的控制。直接将电极植入人脑皮层以实现与计算机通信的有美国Emory大学的Kennedy博士。他在1998年将锥状电极分别植入两个病人的大脑皮层，通过训练，病人通过集中精力想象某种肌肉的运动，来控制计算机屏幕上光标的移动，从而实现某些选项操作。1999年，美国Duke大学医学中心的科学家通过在大白鼠脑内植入微电极阵列，使其能控制简单的机械臂，这也证明了同时记录神经元群信号实现脑机接口的可行性。2000年Duke大学Wessberg等人通过植入微电极阵列于夜猴(owl monkey)的运动皮层区，记录神经元群的电信号，成功地实现了对位于Duke大学现场和远在千里外的MIT的两个机械臂的同步实时控制。由于技术、伦理等多方面的原因，能接受电极植入手术的病人很难寻找，目前在大规模实用化方面尚无多大进展。