腦機(jī)接口技術(shù)論文(2)
腦機(jī)接口技術(shù)論文篇二
腦―機(jī)接口國內(nèi)專利技術(shù)發(fā)展分析
摘 要：腦-機(jī)接口是一種涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的新穎的人機(jī)接口方式，標(biāo)準(zhǔn)的腦-機(jī)接口系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速地采集、識(shí)別出人腦在各種思想活動(dòng)下的腦電信號(hào)，在醫(yī)療、航空、軍事、生活?yuàn)蕵返榷鄠€(gè)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。該文根據(jù)腦-機(jī)接口利用的腦電信號(hào)的來源和方式不同，對(duì)其研究方法中主要三個(gè)分類即視覺誘發(fā)電位、P300電位和運(yùn)動(dòng)想象進(jìn)行了介紹，并對(duì)各分類國內(nèi)主要申請(qǐng)人所申請(qǐng)的專利進(jìn)行了分析，幫助更多申請(qǐng)人提升對(duì)技術(shù)的理解和把握，指導(dǎo)專利申請(qǐng)走向。
關(guān)鍵詞：腦-機(jī)接口 BCI SSVEP P300 運(yùn)動(dòng)想象
中圖分類號(hào)：G30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2015)04(b)-0235-01
腦-機(jī)接口(Brain Computer Interface，BCI)是近年出現(xiàn)的涉及眾多學(xué)科、知識(shí)領(lǐng)域的人機(jī)接口方式，20世紀(jì)90年代年提出了腦-機(jī)接口的概念[1]：腦-機(jī)接口是一種在大腦和外部設(shè)備間建立的傳遞信息的通路。腦-機(jī)接口通過采集與提取大腦產(chǎn)生的腦電信號(hào)來識(shí)別人的思想，據(jù)此生成控制信號(hào)來完成大腦與外部設(shè)備進(jìn)行信息傳遞與控制的目的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的腦-機(jī)接口系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、快速地采集、識(shí)別出人腦在各種思想活動(dòng)下的腦電信號(hào)。
根據(jù)腦-機(jī)接口的應(yīng)用種類不同，腦-機(jī)接口的系統(tǒng)構(gòu)成有所不同，但總體上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的腦-機(jī)接口系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成，即信號(hào)采集、預(yù)處理及特征提取、模式識(shí)別、控制命令輸出[2]。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，腦-機(jī)接口系統(tǒng)可以有以下四個(gè)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(dú)立型。
1 專利技術(shù)分析
根據(jù)BCI利用的腦電信號(hào)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(qiáng)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(jī)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(shí)別比率都有一定的提升，而腦機(jī)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(nèi)SSVEP-BCI以清華大學(xué)高上凱研究組為這方面工作的代表：早期專利主要是對(duì)穩(wěn)態(tài)誘發(fā)響應(yīng)裝置基本的設(shè)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(yīng)的控制裝置，包括閃光刺激器，電極，腦電信號(hào)放大器和頻率分析器，該發(fā)明為思維正常但有運(yùn)動(dòng)功能障礙的人提供一種對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行交流和控制的途徑。其后對(duì)高頻穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦電裝置及基于左右視野兩個(gè)頻率刺激的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)腦機(jī)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(shí)際上感覺不到刺激器的閃爍，因此，在使用中不會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞。對(duì)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(yīng)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(diǎn)嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)腦電穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位的在線分析，基于該方法構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)比傳統(tǒng)的傅里葉分析方法具有更加高效和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
1.2 P300電位
P300電位是一種與事件相關(guān)的特殊電位事件相關(guān)電位，是內(nèi)源性的具有認(rèn)知功能的誘發(fā)電位，測(cè)試的過程主要監(jiān)測(cè)受試者心里因素等指標(biāo)。同腦誘發(fā)電位EP相比較，事件相關(guān)電位ERP所獲得的誘發(fā)電位是被測(cè)對(duì)象需要主動(dòng)參與得到的。
國內(nèi)P300-BCI以天津大學(xué)和浙江大學(xué)為這方面工作的代表：浙江大學(xué)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(yán)重殘疾病患提供與他人進(jìn)行交流的途徑，并且對(duì)其外圍功能加以延伸后可以讓患者實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)程序和電子機(jī)械裝置的控制。這在醫(yī)療康復(fù)、醫(yī)學(xué)生理實(shí)驗(yàn)、腦功能機(jī)制探索方面具有諸多價(jià)值。天津大學(xué)把P300用于智能化上肢康復(fù)訓(xùn)練器的信號(hào)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(jì)算P300的值確定選擇的字母并調(diào)用函數(shù)輸出該字母，主要用于無法進(jìn)行肢體動(dòng)作人和計(jì)算機(jī)交互。
1.3 運(yùn)動(dòng)想象
運(yùn)動(dòng)想象(Motor Imagery，MI)，是指運(yùn)動(dòng)活動(dòng)在內(nèi)心反復(fù)地模擬、排練，而不伴有明顯的身體活動(dòng)[3]。相關(guān)研究表明，運(yùn)動(dòng)想象所激發(fā)的大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域與實(shí)際進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)時(shí)所激發(fā)的大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域相同[4]。
國內(nèi)MI-BCI仍然以各大學(xué)為這方面工作的代表：北京師范大學(xué)的CN101897640A提供了一種新型的基于運(yùn)動(dòng)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(wù)性輔助運(yùn)動(dòng)工具，幫助他們到室外去自由活動(dòng)，用于記錄用戶想象左右手運(yùn)動(dòng)任務(wù)下的腦電信號(hào)，信號(hào)處理裝置是運(yùn)行于筆記本電腦上的信號(hào)處理模塊，提取想象運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦電特征，識(shí)別出用戶的主觀意圖。上海海事大學(xué)的CN102789316A采用三類的運(yùn)動(dòng)想象控制二維光標(biāo)在平面內(nèi)的移動(dòng)，減輕受試者想象負(fù)擔(dān)，方便了受試者的使用，拓寬了BCI系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域;杭州電子科技大學(xué)的CN103971124A包括腦電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、濾波、相位同步特征相關(guān)系數(shù)計(jì)算、特征提取和分類以及分類準(zhǔn)確率計(jì)算，分類結(jié)果表明：采用基于相位同步的腦電信號(hào)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(hào)的粗分類可以高效率、高準(zhǔn)確率地確定測(cè)試樣本大致所屬的類別，減少計(jì)算量。
2 結(jié)語
腦-機(jī)接口為人們提供了與外界進(jìn)行交流的新方式，可以直接用腦電信號(hào)進(jìn)行思想的表達(dá)，可以利用腦電信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，只要有思想就能行動(dòng)，現(xiàn)階段腦-機(jī)接口領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量還不是很多，但越來越多的學(xué)校、研究機(jī)構(gòu)等都逐漸投入到腦-機(jī)接口的研究中，該文通過對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠墨I(xiàn)的梳理，可以幫助申請(qǐng)人掌握該領(lǐng)域技術(shù)演進(jìn)路線，提升對(duì)技術(shù)的理解和把握能力，指導(dǎo)專利申請(qǐng)走向，真正切實(shí)地為專利申請(qǐng)人提供指導(dǎo)和幫助。相信在不久的將來腦-機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展必然會(huì)給人類的生活帶來更多的驚喜。
參考文獻(xiàn)
[1] 高諾，魯守銀，張運(yùn)楚，等.腦機(jī)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008(4)：16-19.
[2] 官金安，林家瑞.腦-機(jī)接口技術(shù)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(yùn)動(dòng)想象療法在腦卒中康復(fù)中的應(yīng)用[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)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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