腦機接口技術論文(2)
腦機接口技術論文篇二
腦―機接口國內專利技術發(fā)展分析
摘 要：腦-機接口是一種涉及多學科多領域的新穎的人機接口方式，標準的腦-機接口系統(tǒng)可以準確、快速地采集、識別出人腦在各種思想活動下的腦電信號，在醫(yī)療、航空、軍事、生活娛樂等多個領域具有潛在應用價值。該文根據(jù)腦-機接口利用的腦電信號的來源和方式不同，對其研究方法中主要三個分類即視覺誘發(fā)電位、P300電位和運動想象進行了介紹，并對各分類國內主要申請人所申請的專利進行了分析，幫助更多申請人提升對技術的理解和把握，指導專利申請走向。
關鍵詞：腦-機接口 BCI SSVEP P300 運動想象
中圖分類號：G30 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2015)04(b)-0235-01
腦-機接口(Brain Computer Interface，BCI)是近年出現(xiàn)的涉及眾多學科、知識領域的人機接口方式，20世紀90年代年提出了腦-機接口的概念[1]：腦-機接口是一種在大腦和外部設備間建立的傳遞信息的通路。腦-機接口通過采集與提取大腦產生的腦電信號來識別人的思想，據(jù)此生成控制信號來完成大腦與外部設備進行信息傳遞與控制的目的。一個標準的腦-機接口系統(tǒng)可以準確、快速地采集、識別出人腦在各種思想活動下的腦電信號。
根據(jù)腦-機接口的應用種類不同，腦-機接口的系統(tǒng)構成有所不同，但總體上一個標準的腦-機接口系統(tǒng)一般由四個部分組成，即信號采集、預處理及特征提取、模式識別、控制命令輸出[2]。按照不同的分類標準，腦-機接口系統(tǒng)可以有以下四個類別：非植入式和植入式;誘發(fā)式腦電式和自發(fā)式腦電式;同步型和異步型;依賴型和獨立型。
1 專利技術分析
根據(jù)BCI利用的腦電信號的來源和利用的方式不同，其研究方法主要有下面三類。
1.1 視覺誘發(fā)電位(VEP)
視覺誘發(fā)電位(VEP)可分為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)和瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位(TVEP)。穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位有較強的抗干擾能力，不易受到其它噪聲干擾，由于得到的信噪比符合理想值，在腦機接口開發(fā)中穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的開發(fā)非常廣泛，其信息獲得比率和正確識別比率都有一定的提升，而腦機接口研究中瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位的開發(fā)則稍微少一些。
國內SSVEP-BCI以清華大學高上凱研究組為這方面工作的代表：早期專利主要是對穩(wěn)態(tài)誘發(fā)響應裝置基本的設置，例如：CN1248426A，該發(fā)明涉及一種基于腦電穩(wěn)態(tài)誘發(fā)響應的控制裝置，包括閃光刺激器，電極，腦電信號放大器和頻率分析器，該發(fā)明為思維正常但有運動功能障礙的人提供一種對外界環(huán)境進行交流和控制的途徑。其后對高頻穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電裝置及基于左右視野兩個頻率刺激的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦機接口方法都有涉及，例如CN2888524Y采用了高閃爍頻率的刺激器(閃爍頻率高于25 Hz)，由于受試者實際上感覺不到刺激器的閃爍，因此，在使用中不會產生視覺疲勞。對穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的分析方法也有一定研究，例如：CN103093085A，該發(fā)明公開了一種應用于嵌入式處理器中的腦電穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的分析方法，該方法能夠使定點嵌入式處理器實現(xiàn)對腦電穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的在線分析，基于該方法構建的嵌入式系統(tǒng)，對比傳統(tǒng)的傅里葉分析方法具有更加高效和準確的優(yōu)點。
1.2 P300電位
P300電位是一種與事件相關的特殊電位事件相關電位，是內源性的具有認知功能的誘發(fā)電位，測試的過程主要監(jiān)測受試者心里因素等指標。同腦誘發(fā)電位EP相比較，事件相關電位ERP所獲得的誘發(fā)電位是被測對象需要主動參與得到的。
國內P300-BCI以天津大學和浙江大學為這方面工作的代表：浙江大學的CN101201696A，是基于P300腦電電位的中文輸入BCI系統(tǒng)，該發(fā)明的中文輸入BCI系統(tǒng)可以為身體癱瘓且語言功能受損的嚴重殘疾病患提供與他人進行交流的途徑，并且對其外圍功能加以延伸后可以讓患者實現(xiàn)對計算機程序和電子機械裝置的控制。這在醫(yī)療康復、醫(yī)學生理實驗、腦功能機制探索方面具有諸多價值。天津大學把P300用于智能化上肢康復訓練器的信號處理，例如：CN101391129A，還將P300用于多模式腦電控制的智能打字;例如：CN101571747A，該發(fā)明通過計算P300的值確定選擇的字母并調用函數(shù)輸出該字母，主要用于無法進行肢體動作人和計算機交互。
1.3 運動想象
運動想象(Motor Imagery，MI)，是指運動活動在內心反復地模擬、排練，而不伴有明顯的身體活動[3]。相關研究表明，運動想象所激發(fā)的大腦感覺運動皮層區(qū)域與實際進行肢體運動時所激發(fā)的大腦感覺運動皮層區(qū)域相同[4]。
國內MI-BCI仍然以各大學為這方面工作的代表：北京師范大學的CN101897640A提供了一種新型的基于運動想象腦電控制的智能輪椅系統(tǒng)，目的是為那些癱瘓病患者或老年人提供一種服務性輔助運動工具，幫助他們到室外去自由活動，用于記錄用戶想象左右手運動任務下的腦電信號，信號處理裝置是運行于筆記本電腦上的信號處理模塊，提取想象運動相關的腦電特征，識別出用戶的主觀意圖。上海海事大學的CN102789316A采用三類的運動想象控制二維光標在平面內的移動，減輕受試者想象負擔，方便了受試者的使用，拓寬了BCI系統(tǒng)的應用領域;杭州電子科技大學的CN103971124A包括腦電信號采集、數(shù)據(jù)預處理、濾波、相位同步特征相關系數(shù)計算、特征提取和分類以及分類準確率計算，分類結果表明：采用基于相位同步的腦電信號分類方法，得到了較好的分類效果，其中基于相位同步的腦電信號的粗分類可以高效率、高準確率地確定測試樣本大致所屬的類別，減少計算量。
2 結語
腦-機接口為人們提供了與外界進行交流的新方式，可以直接用腦電信號進行思想的表達，可以利用腦電信號對設備進行控制，只要有思想就能行動，現(xiàn)階段腦-機接口領域的專利申請量還不是很多，但越來越多的學校、研究機構等都逐漸投入到腦-機接口的研究中，該文通過對腦機接口領域專利文獻的梳理，可以幫助申請人掌握該領域技術演進路線，提升對技術的理解和把握能力，指導專利申請走向，真正切實地為專利申請人提供指導和幫助。相信在不久的將來腦-機接口技術的發(fā)展必然會給人類的生活帶來更多的驚喜。
參考文獻
[1] 高諾，魯守銀，張運楚，等.腦機接口技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機器人技術與應用，2008(4)：16-19.
[2] 官金安，林家瑞.腦-機接口技術發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2004，28(3)：157-164.
[3] 賈子善.運動想象療法在腦卒中康復中的應用[J].中國康復醫(yī)學雜志，2004，19(11)：867-868.
[4] Pfurtscheller G，Neuper C.Motor imaginary activates primary sensorimotor area in humans [J].Neuroseience Letters，1997，293(2)：65-68.
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