的研究方法

第一节　BCI的研究方法

现在，美国纽约州Wadsworth研究中心、奥地利的格拉茨(Graz)大学以及德国、加拿大都在进行前沿性的研究。在中国，西安交通大学、上海交通大学、华中科技大学、浙江大学、江西蓝天学院等院校也在尝试(杨帮华等，2005)，清华大学的神经工程实验室走在前列(胡剑锋，2006)。各研究组对BCI的研究方法和思路各有不同。

从采集脑电信号的电极位置看，大体上BCI分为两类:

一是来自皮层内部信号的有创直接BCI。有创直接BCI是将电极置于颅内，直接从大脑皮层上提取皮层脑电(Electrocorticogram，ECoG)，这种方法具有空间分辨率高、位置稳定性好、特异性强、信噪比高和后处理简单等优点，但技术困难、有创伤。这种方法会随“主动式”电极、生物材料、微加工及封装工艺、集成电路等的发展而得到更多关注，目前主要是动物实验(官金安、林家瑞，2004)，如猴子、猫等，也有采用神经电极植入人脑皮层的。

二是来自皮层外部信号的无创间接BCI。无创间接BCI是将电极置于头皮上来提取脑电(EEG)，具有较低的信噪比和空间分辨率，但由于它的无创性，且记录简单，能够实时地被提取与分类，因此是研究得最多的，也是目前研究的重点。

依据EEG的产生是否需要外部刺激，BCI分为以下两大类:

一、视觉刺激法及特点

该方法基于人接受外界视觉刺激所产生特定的电活动，所产生的信号电位有其空间、时间和相位特征，与刺激有较严格的锁时关系。目前，在BCI研究中，主要有P300法和SSVEP法(Steadystate visual evoked potential，稳态视觉诱发电位法)。

1．P300法

当实验者受到特定视觉刺激后的300ms内，EEG中有一个正峰，对其进行特征提取来研究实验者接受刺激后脑电变化，这种研究方法称为P300法。此方法有两种表现方式:一种方式是如图3-1所示的虚拟矩阵。当矩阵的某行或某列依据设计次序和一定的周期被加亮，实验者注视被加亮的行或列时，会引起P300事件相关电位，通过数据处理获得引起的行与列的序号，即可判断出实验者所凝视的目标字符。

另外一种方式是如图3-2所示的虚拟键盘。键盘的每个键分成两部分，上半部标注字符，下半部有一个内有移动图案和两个色标的小视窗。图案与色标不断移动通过小视窗，使用者注视窗口，当色标出现时引起P300，两个色标目标刺激出现的特定时间差与一个字符相对应。将刺激以移动而不是闪现方式呈现，可避免用户遭受突现刺激产生的疲劳，且能抑制诱发脑噪声。研究者据此设计出虚拟键盘，以帮助患者实现字符输入，从而实现与外界交流。

2．SSVEP法

SSVEP法是设计若干个虚拟按钮，每个虚拟按钮的亮度以不同的频率调制，对实验者进行视觉刺激。操作者眼睛注视期望选择的按钮，SSVEP的幅度在按钮的调制频率处增加。利用信号频域特征，就能识别出实验者注视的目标。

图3-1　虚拟矩阵

图3-2　虚拟键盘

P300和SSVEP方法均需外界视觉刺激，也可称为被动式(不需要人积极主动执行心理作业)或依赖式(需要外界刺激)方法。P300提取时域特征，SSVEP提取频域特征，两者均具有不需要训练、特征提取容易、准确率高、受主观因素影响小的特点，但需要结构化的环境。

二、心理作业法及特点

该类方法无需外部刺激，用户通过执行特定的心理活动来实现。

1．皮层慢电位法(Slow Cortical Potential，SCP)

皮层慢电位，是持续时间在0.5s到10s范围内的皮层电位慢变化，为EEG中1Hz以下的部分，与运动和皮层激活有关，如图3-3(A)所示。

图3-3　四类BCI系统

(摘自Wolpaw JR等Clinical Neurophysiology，2002，113:767-791)

2．1～4Hz的低频特征法

该法是让实验者想象特定手指弯曲的运动，提取EEG中1～4Hz频率范围的特征。特征分类器连续监控特征向量，当特征向量进入预定的子空间时，分类器输出ON，否则输出OFF。

3．μ节律与β节律法

在人们醒着并放松时，主要感觉运动的皮层经常呈现8～12Hz的EEG活动。这种空闲的活动当集中在体觉或运动皮层称μ节律。μ节律活动包含8～12Hz大量的变化，并通常与8～12Hz的β节律有一定联系。μ节律与β节律的增大和减小与实际运动及运动想象有关，如图3-3(C)所示。

4．ERD/ERS法(event-related desynchronization/event-related synchronization，事件相关去同步/事件相关同步)

它是由于不同大脑区域同步活动程度不同产生的脑电活动差异。当被试者假想左肢体运动时，管理左侧人体活动的右侧大脑开始兴奋的活动变为较剧烈，平静态时的各种同步活动被打破，表现为测量到的头发脑电信号幅度下降，即为脑电的事件相关去同步。同时由于左侧大脑同步性反而被增强，表现为测量到的头发脑电信号幅度上升级，即为脑电的事件相关同步。当假想右肢体运动时，以上表现反之。因此在一次肢体假想运动时，就有了一对相对抗的特征出现。基于此种特征可以进行对大脑的不同认知活动(左侧或右侧肢体想象运动)通过脑电的测量来进行分类，从而实现脑机接口。

5．8～30Hz法

该方法通过提取EEG中的8～30Hz的频率成分，对心理作业进行分类。

上述五种方法所使用的是人体在自然状态下记录的，不需结构化环境。实验者通过特定的心理活动来实现，但需要用户进行大量的训练来产生特定模式的脑电，受主观因素情绪、疲劳、注意力等影响较大，训练时间较长，从几天到几个月不等。该方法也可称为主动式(主动进行心理活动)或非依赖式(无需依赖外部刺激)。