第3期 王斐，等：脑机接口研究进展 ·191· 过脑信号来控制机器手的张开和握紧，抓住指定的 小.本部分主要介绍当前脑信号采集的各种手段以 物体然后移动到其他地方等一些动作. 及脑信号的常见的几种分类方法。 经过几十年的发展，世界范围研究BCI的机构 3.1脑信号采集手段 已由几个发展到数以百计的专门研究机构以及大量 目前，脑信号可以通过许多技术手段来进行测 的高校.国内外研究BCI比较著名的机构主要有 量，包括脑电场或脑磁场的记录、功能性磁振造影、 Wadsworth研究中心、NSF、GSU脑实验研究室、Graz- 正电子放射层扫描术、功能性近红外成像，但目前脑 BCI研究机构、清华大学高上凯BCI课题研究组.据 磁描记法、功能性磁振造影和正电子放射层扫描术 报道国内研究BCI的高校还有国防科技大学、中南 等由于复杂的技术要求、成本高以及有限的实时性 民族大学、北京师范大学等。 能等因素限制还不能在实际中得到广泛的应用.只 BCI研究机构在壮大的同时，国际学术交流活 有脑电场记录和功能性近红外成像这2种技术在实 动也变得日益频繁，先后召开了2次以BCI为主题 际中有一定的应用，其中记录脑电场信号应用最为 的国际性学术会议8]，EEE医学生物工程学会举 广泛 办的首届神经工程国际会议讨论的主题一半以上也 根据电极放的位置不同，脑电场记录方法又分 均是与BCI相关，在武汉举办的神经接口与控制国 为3大类，如图2所示.第1类是将电极放在头皮层 际会议上提交的大多数论文也就脑-机接口系统的 来记录脑电场信号，称为EEG;第2类是将电极放 控制信号采集、分析和处理等方面进行了重要的研 人脑皮层，称为ECoG;第3类是将电极植人大脑更 究.除此之外，在国际一些脑机接口研究机构的组 深的地方，在硬脑膜下，主要用来测量局部场势和神 织下，已成功地举办了4次国际性的BCI竞赛.这些 经元的动作电位等.第1种方法比较安全，是一种非 活动都极大地促进了脑机接口研究的发展。 侵入的测量方法，容易实现，但是只有有限的分辨率 和频率范围.第2类具有较高的分辨率和较宽的频 2BCI的基本系统组成 率范围，但是需要将电极植入脑皮层，具有一定的危 BCI基本组成如图1所示，主要是由信号获取 险性，信号长时期的稳定性也不能保证.第3类方法 模块、信号处理模块、输出设备模块等部分组成.其 具有最高的分辨率和最宽的频率范围，但同第2类 中信号处理模块包括特征产生和变换算法2个子模 一样，都是属于侵入性的测量方法，具有一定的危险 块，特征产生主要是针对神经元活动信号选取更能 性，不易实现.具体采用哪种方法是根据实际需要而 反映用户意图那些特征，特征产生模块在一定程度 定，侵入的测量方法并不绝对比非侵人的测量方法 上决定了系统的整体性能，变换算法模块主要是将 在性能上好，在某些情况下，非侵入的测量方法也能 提取得到的特征映射为用户实际所需的输出， 取得很好的性能，甚至比侵入的测量方法更好 EEG: 信号获取 特征产生 变换算法 设备超 制量等 头皮层 简单、安全 只有有限的 软组织 分辨率和频带 头骨 -ECoG: 高分辨率但危险 且需要考虑长时 硬脑膜 间检测所得到信 号的可靠性 图1BCI基本组成部分 脑皮层 …动作电位和局部场势 Fig.1 The fundamental component of BCI 高分辨率但危险，且 需要考虑长时间检测 mm 3 脑信号获取 所得到信号的可靠性 图2脑电场记录所用的3种方法 脑信号获取是BCI技术首要解决的技术之一， Fig.2 Three recording methods in the brain's 脑信号由于其信号微弱故容易受到各种与目标信号 electric field 无关的其他信号的污染，如头皮层的肌电信号、眼球 在实际中，由于安全因素，除了一部分应用在动 转动的信号所带来的噪声，这部分的噪声可以采用 物身上的BCI系统以外，其余的BCI系统都是基于 在后面部分介绍的信号预处理手段将噪声减为最