脑机接口

EEG technology

Posted by 陈锐CR on February 26, 2020 | 阅读

前言

今天,我们来说说BCI(脑机接口),前几天在一个学校的计算机学院做技术交流时,他们最近在使用脑电EEG设备做一些关于BCI的研究。我想,这也是以后脑科学时代的重点研究方向,所以今天我们聊一聊BCI(脑机接口)。

BCI定义

脑机接口(Brain-Computer Interface,简称BCI;有时也称作direct neural interface或brain-machine interface),是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间创建的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下,计算机或者接受脑传来的命令,或者发送信号到脑(例如视频重建),但不能同时发送和接收信号。而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换。简而言之,脑机接口,是一种不依赖于正常的由外围神经和肌肉组成的输出通路的通讯系统。BCI是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统,它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。实质为通过脑信号推断人的想法或目的,从而实现人机交流。

BCI呈现的三种类型

主动式BCI:它从大脑活动中主动输出信号,直接由受试者自主控制,独立于外部事件,用于控制设备。

反应式BCI:反应类型的BCI是一种源自大脑对外部刺激反应产生的脑活动,其被受试者间接调制以控制设备。

被动式BCI:被动式BCI是从受试者任意的脑活动中输出脑活动信号,而不是出于自愿控制的目的,来驱动设备,这种方式是丰富了与隐式信息的人机交互。(这种方式不提倡)

BCI的分类

(1)完全侵入式脑机接口

此类脑机接口通常直接植入到大脑的灰质,因而所获取的神经信号的质量比较高。但其缺点是容易引发免疫反应和愈伤组织,进而导致信号质量的衰退甚至消失。

(2)部分侵入性脑机接口

部分侵入性BCI装置植入颅骨内,但在大脑外部而不是在灰质内。与非侵入性BCI相比,它们产生更好的分辨率信号;与完全侵入性BCI相比,在脑中形成愈伤组织的风险较低。例如常见技术:ECoG(皮层脑电)

(3)非侵入性脑机接口

这种方式是目前最常见的类型,是置于头皮表面来观测大脑信号的活动变化。虽然这种非侵入式的方式非常方便,但是由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元发出的电磁波的分散和模糊效应,记录到信号的分辨率并不高。例如常见技术:EEG/ERP(脑电)、fNIRS(近红外脑成像)等

实现BCI的必要条件

(1)能够反映大脑活动的信号

(2)这种信号能够被实时且快速的采集

(3)这种信号有明确的分类。目前可用于BCI 的人脑信号有:EEG/ERP(脑电)、ECoG(皮层脑电)、fNIRS(近红外脑成像)、MEG(脑磁)和fMRI(功能性核磁共振)等对大脑信号的研究

实现BCI脑机接口的常用工具

(1)openViBE

(2)BCI2000

(3)BCILAB

(4)LSL

结尾

最后,总结一下,前面讲了基本BCI脑机接口的相关知识,但是想要实现BCI在目前的研究中还是存在一些局限性,准确率不高。这是由于受到环境因素、训练因素、处理数据时的未知参数、信噪比低等因素造成的。虽然,这些问题是存在的,但是我们在探索大脑的过程中还是在进步的,我相信,脑科学的研究会越来越让人着迷,好了,今天的安利就写这么多了。

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