摘要：近些年来，脑-机接口BCI(brain-computer interaction）技术的研究在国际上引起了广泛的兴趣并获得了快速的发展。人类大脑能够产生多种信号, 包括电的、磁的、化学的以及大脑活动的机械反应等各种形式。这些信号可以通过相应的传感器进行检测，从而使得BCI 的实施成为可能。BCI 技术的研究在肌肉瘫痪但具有良好认知的残疾人（例如：ALS 、脊髓损伤、中风）康复、军事、人工智能、娱乐等方面都存在潜在的应用价值；它不仅为人与计算机等设备间提供了一种新型的交互方式，而且为对人类自身的认识与研究提供了一种手段，极大地推动着人们对于人脑思维能力的认识和利用, 其研究成果具有重大的理论意义、学术价值和广阔的应用前景。
关键字：脑-机接口 传感器 交互方式
脑机接口(Brain Computer Interface，BCI) 或脑—计算机接口是一种新颖的人机接口方式。脑机接口(BCI)的严格定义是：一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统。它通过采集和分析人脑生物电信号，在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以通过脑来表达意愿或操纵设备, 而不需要语言或肢体动作。
一、BCI 系统的基本结构
BCI 系统一般都具备信号采集，信号分析和控制器三个功能模块。
（1）信号采集：受试者头部戴上一个电极帽，采集EEG 信号，并传送给放大器，信号一般需放大10000倍左右，经过预处理，包括信号
的的滤波和A/D 转换，最后转化为数字信号存储于计算机中。
（2）信号分析：利用ICA 、PCA 、FFT 、小波分析等方法，从经过预处理的EEG 信号中提取与受试者意图相关的特定特征量（如频率变化、幅度变化等）；特征量提取后交给分类器进行分类，分类器的输出即作为控制器的输入。
（3）控制器：将已分类的信号转换为实际的动作，如在显示器上的光标移动、机械手运动、字母输入、控制轮椅、开电视等。
有些BCI 系统还设置了反馈环节，不仅能让受试者清楚自己的思维产生的控制结果，同时还能够帮助受试者根据这个结果来自主调整脑电信号，以达到预期目标。
二、脑机接口分类
脑机接口分为有创伤式和无创伤式两种。
有创伤式(侵入式) ：信号纯净但易感染
关于有创伤式脑机接口，采集神经信号的电极植入到大脑皮层中，这样得到的脑信号更为纯净，解码准确度更高。
目前这种方式主要用
于高位截瘫病人和动物实验。在正常情况下，大脑时刻都在输入和输出信息，与外界存在自然通路，但在某些特殊情况，例如高位截瘫病人，他们与外界正常交流的通路被破坏了，要了解他们、让他们的生活有意义，就必须建立新的交流方式。这正是脑机接口研究的初衷。最近布朗大学经FDA 批准将包含仅百个微电极的电极阵列植入一个高位截瘫病人的体内，从而获得单个细胞活动的放电，在临床上取得了明显成效。但有创伤式不仅存在手术感染的风险，还容易引发排异反应导致电极被细胞包裹而失去信号采集作用。
无创伤式（非侵入式）：信号分辨率较低
无创伤式脑机接口通过实时记录和分析头皮脑电，解读人的控制意愿，实现人脑对计算机、家用电器、机器人等设备的直接控制。神经细胞的放电量从皮层经过颅骨等传到头皮，只剩下几十微伏，因此无创伤式采集到的信号分辨率较低。在清华脑机接口实验室，志愿者戴上只有四五个电极的电极I 旧，从若干类似“感觉冷”“想喝水”“要坐下”等简单思维活动中随机选择一个，计算机几乎可以立刻判断出志愿者当前的意愿。如果将计算机的判断作为控制命令传给空调或机器人，就可以让空调根据人的感觉自动调节温度，让机器人根据人的意愿端茶送水，真正开启人机交互的智能时代。如果能够将解读的意愿直接传给其他人的大脑，就能实现“心有灵犀不点自通”，“无声通话”计划也不再是想象。
三、脑机接口的应用前景
1. 视觉假体系统
视觉假体（visual prosthesis，或vision prosthesis）是一种植入式医用电子设备，其功能是在一定程度上恢复重度失明病人的视觉。 工作原理
视觉假体技术属于功能电刺激的一种。它利用大多数盲人往往只有视觉通路的一部分发生病变，而其余部分神经组织的结构和功能尚完好的特点，对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激，来兴奋神经细胞，模拟自然光刺激的效果，使盲人产生视觉感受。
视觉假体系统包括一个位于病人体外的视频采集设备（通常为小型摄像机），视频处理模块，电刺激编码模块和植入到视觉通路特定部位的（参见分类）多电极阵列（Multielectrode array）。视觉假体的工作原理与人工耳蜗相似。由视频采集设备采集到的实时视频图像经过处理，转化为驱动多电极阵列的信号。多电极阵列对视觉神经组织施加一定幅度、波形和频率的电流刺激，兴奋视觉神经元，从而使病人产生视觉感受。
单个电极的定点电刺激所产生的视觉感受叫做光幻视
（Phosphene ）。据病人描述，光幻视是点状或其他简单形状的小光斑，亮度、颜色、大小等由于电刺激参数等因素的影响而变化。所以视觉假体所产生的视觉感受是由一系列类孤立的光点所组成的像素化的图像。
2. 人工耳蜗
人工耳蜗，亦称为“人工电子耳”，是一种植入式听觉辅助设备，其功能是使重度失聪的病人（聋人）产生一定的声音知觉。与助听器
等其它类型的听觉辅助设备不同，人工耳蜗的工作原理不是放大声音，而是对位于耳蜗内、功能尚完好的听神经施加脉冲电刺激。大多数人工耳蜗设备由植入部分和体外部分组成。体外部分由麦克风、语音处理器以及用于向植入部分发送指令的信号发射器组成。植入部分由信号接收及解码模块、刺激电极阵列组成。
工作原理
人工耳蜗的工作是基于耳蜗的频率拓扑（Tonotopy ）性质。所谓频率拓扑，就是耳蜗的不同部分与不同声音频率的一种规则的对应关系。在正常的听觉系统中，声音的机械震动通过外耳和中耳之后，在耳蜗内部的液体管道内形成一个行波。行波在耳蜗的各处与基底膜（Basilar membrane）发生共振。根据频率的不同，此共振的最大幅度产生在基底膜的不同部位。高频的声音在基底膜靠近底端（即靠近圆窗）的部位产生最大共振幅度，低频的声音的最大共振幅度则产生在基底膜靠近顶端（即远离圆窗）的部位。基底膜的振动带动毛细胞纤毛的振动，产生毛细胞的感受器电位，进而产生听神经的动作电位发放。所以听神经继承了耳蜗的频率拓扑性质。频率拓扑是听觉系统将声音分解成为不同频率成分的一种手段。脑的中枢听觉系统能够根据听神经中不同神经纤维的发放情况判断基底膜的振动情况，进而推断声音的频率成分。
在一些患有感觉神经性耳聋的病人内，毛细胞遭到损伤或者数量减少。这种病变的原因可能是遗传因素、耳毒性药物的作用、一些诸如脑膜炎的疾病的作用、以及遭到过响噪声的破坏。残存毛细胞无法
正常地驱动听神经。而人工耳蜗就是绕过毛细胞这一环节，直接对听神经进行电刺激。对于脑来说，这种电刺激的效果就好像是听神经被声音通过正常的基底膜和毛细胞驱动一样。这就是人工耳蜗的基本工作原理。
3. 脑机接口与神经修复
神经修复是神经科学中和神经的修复相关的领域，即是用人工装置（假体）替换掉原有功能已削弱的部分神经或感觉器官。脑机接口和神经修复的区别主要从字面上就可见其端倪：“神经修复”通常指临床上使用的装置，而许多现有的脑机接口仍然是实验性质的。实践上讲神经假体可以和神经系统的任意部分相连接，如外周神经系统；而“脑机接口”通常指一类范围更窄的直接与脑相连接的系统。
由于目标和实现手段的相似性，“神经修复”和“脑机接口”两术语经常可以通用。神经修复和脑机接口尝试达到一个共同的目标，如恢复视觉、听觉、运动能力，甚至是认知的能力。两者都使用类似的实验方法和外科手术技术。
四、参考文献
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[8]百度百科-脑机接口