腦-機(jī)接口（BCI）相關(guān)術(shù)語

連載(三)

昆明理工大學(xué)伏云發(fā)教授團(tuán)隊(duì)

【導(dǎo)讀】為了方便腦機(jī)接口（Brain-computer interface，BCI）初學(xué)者、中級(jí)和高級(jí)研發(fā)者查閱或精準(zhǔn)理解BCI相關(guān)術(shù)語，本章列出了BCI相關(guān)術(shù)語。第一節(jié)為前言，第2節(jié)列出了與BCI直接相關(guān)的術(shù)語，第3節(jié)列出了與BCI緊密相關(guān)的術(shù)語，后面的幾節(jié)分別列出了在BCI文獻(xiàn)中使用的若干術(shù)語，包括BCI用戶相關(guān)術(shù)語、實(shí)用BCI相關(guān)術(shù)語、用于BCI的腦神經(jīng)電磁信號(hào)和腦組織血氧水平記錄相關(guān)術(shù)語、BCI相關(guān)腦結(jié)構(gòu)與功能術(shù)語，以及BCI相關(guān)的其他術(shù)語。這種列舉方式是為了整理BCI相關(guān)術(shù)語的方便，不是絕對(duì)的，也不是標(biāo)準(zhǔn)，僅供參考，目的是為了方便查詢或理解BCI相關(guān)術(shù)語。

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第3節(jié) BCI緊密相關(guān)術(shù)語

3.1 -3.4節(jié)請(qǐng)看

3.5 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口（SSVEP-BCI）相關(guān)術(shù)語

為理解SSVEP-BCI，下面首先介紹誘發(fā)電位（Evoked potentials，EPs），然后介紹視覺誘發(fā)電位（VEPs），接著介紹穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（Steady-State Visual Evoked Potentials，SSVEPs），最后介紹穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口（SSVEP-BCI）。

在本節(jié)中，也會(huì)介紹涉及到的瞬態(tài)誘發(fā)電位（Transient Evoked Potentials, TEPs），包括聽覺誘發(fā)電位（Auditory Evoked Potentials，AEPs）、體感誘發(fā)電位（Somatosensory Evoked Potentials, SEPs）、運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（Motor Evoked Potentials, MEPs）和事件相關(guān)電位（Event-related potentials，ERPs）。還會(huì)介紹涉及到的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位（Steady-State Evoked Potentials, SSEPs），包括穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEPs）、穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位（Steady-State Auditory Evoked Potentials, SSAEPs）和穩(wěn)態(tài)體感誘發(fā)電位（Steady-State Somatosensory Evoked Potentials, SSSEPs）等。

3.5.1 誘發(fā)電位（EPs）

EPs是一種電生理測(cè)量，通常由特定的外部刺激（如視覺、聽覺、軀體感覺等）誘發(fā)，電位的發(fā)生時(shí)間與刺激的時(shí)間嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，即鎖時(shí)（Time-locked），通常由放置在頭皮上的電極記錄，可通過對(duì)多次刺激響應(yīng)進(jìn)行平均來提高信噪比。EPs可以用于研究感覺通路和大腦加工信息的方式，也常用于臨床診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病，還可以作為BCI范式研發(fā)BCI系統(tǒng)。文獻(xiàn)[51-55]提供了詳細(xì)的關(guān)于EPs的背景知識(shí)和研究方法，有助于深入理解EPs的原理和應(yīng)用。

EPs主要有兩類，一類是瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs），另一類是穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位（SSEPs），這兩類誘發(fā)電位主要在刺激方式和神經(jīng)響應(yīng)特性上有所不同，如表5所示。

表5 瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs）和穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位（SSEPs）比較

在表5中，鎖相即相位鎖定，意味著電位響應(yīng)的相位與刺激的相位保持一致，換句話說，同一刺激或事件引起（Induced）的電位波形在相位上是相對(duì)一致的，這種相位一致性允許通過平均的方式提取出清晰的刺激誘發(fā)或事件相關(guān)電位成分。鎖時(shí)即時(shí)間鎖定，意味著電位響應(yīng)的出現(xiàn)在時(shí)間上與特定的刺激或事件的出現(xiàn)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，即在時(shí)間上精確對(duì)齊。

3.5.2 事件相關(guān)電位（ERPs）

ERPs是瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs）的一種類型，在BCI中有重要應(yīng)用。ERPs是一種電生理測(cè)量，指由特定事件（Event），如認(rèn)知事件或運(yùn)動(dòng)事件等在大腦中引起的鎖時(shí)的電位變化，這里的鎖時(shí)，表示事件相關(guān)的(Related)電活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間與這個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間相對(duì)應(yīng)。可在頭皮上放置電極記錄ERPs，通常由多個(gè)重復(fù)試次（Trials）的平均來提取，以減少背景腦電活動(dòng)的影響，提高信噪比。ERPs通常表現(xiàn)為一系列正向（Positive）和負(fù)向（Negative）波峰（如P300、N400等），這些波峰在時(shí)間上與事件緊密關(guān)聯(lián)，反映了大腦在處理特定事件時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。ERPs常用于研究大腦對(duì)特定事件或心理任務(wù)的加工過程（Processing），尤其是在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[54] [56-59]提供ERPs的基本定義、實(shí)驗(yàn)方法和應(yīng)用，可為研究提供重要的參考。

盡管ERPs和TEPs有相似之處，但它們并不完全相同，也不能直接互換使用。它們?cè)阪i時(shí)性、鎖相性、誘發(fā)原因和應(yīng)用場(chǎng)景等方面有所不同，如表6所示。（對(duì)于一些電位，有沒有典型波形插入？以增加形象性）

表6 事件相關(guān)電位（ERPs）與瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs）比較。

值得注意的是， ERPs與3.1節(jié)的事件相關(guān)去同步/同步（ERD/ERS）現(xiàn)象不同，表7對(duì)二者進(jìn)行了比較。

表7事件相關(guān)電位（ERPs）與事件相關(guān)去同步/同步（ERD/ERS）的比較

需要強(qiáng)調(diào)的是，與事件相關(guān)電位（ERPs）不同，ERD/ERS通常不會(huì)在一個(gè)精確的、短暫的時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)，而是在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間窗口內(nèi)反映大腦活動(dòng)的變化，意味著它們的變化可以持續(xù)一段時(shí)間。盡管ERD/ERS與特定事件或任務(wù)時(shí)間相關(guān)，但它們的鎖時(shí)性不像ERPs那樣嚴(yán)格精確。ERPs通常在事件發(fā)生后的幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生，而ERD/ERS可能覆蓋幾百毫秒到幾秒鐘的時(shí)間范圍。文獻(xiàn)[40] [60]探討了ERD/ERS的產(chǎn)生機(jī)制和時(shí)間特性，解釋了其與事件相關(guān)但在時(shí)間窗口上具有較大范圍的特點(diǎn)。

在表7中，需要補(bǔ)充說明的是， 運(yùn)動(dòng)事件可以引發(fā)ERD/ERS，運(yùn)動(dòng)事件包括但不限于運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備（Motor Preparation）、實(shí)際運(yùn)動(dòng)（Actual movement）（包括自愿運(yùn)動(dòng)（Voluntary movement）、被動(dòng)運(yùn)動(dòng)（Passive Movement））、運(yùn)動(dòng)錯(cuò)誤監(jiān)控（Motor Error Monitoring）、運(yùn)動(dòng)抑制（Motor Inhibition）、視覺運(yùn)動(dòng)（Visuomotor Movement）和運(yùn)動(dòng)想象（Motor imagery）（包括動(dòng)覺運(yùn)動(dòng)想象（Kinesthetic Motor Imagery，KMI）和視覺運(yùn)動(dòng)想象（Visual Motor Imagery，VMI））。對(duì)這些運(yùn)動(dòng)事件的簡(jiǎn)要說明如表8所示。

表8 主要的運(yùn)動(dòng)事件及簡(jiǎn)要說明

在表7中，ERD/ERS不僅與表8中的運(yùn)動(dòng)事件相關(guān)[56][58]，還可以反映在各種認(rèn)知過程（如注意、記憶和決策等）中的神經(jīng)振蕩變化[57]。認(rèn)知過程中的ERD/ERS研究表明，認(rèn)知任務(wù)（例如執(zhí)行功能、注意力任務(wù)和語言任務(wù)等）會(huì)引發(fā)類似于運(yùn)動(dòng)相關(guān)任務(wù)的ERD/ERS現(xiàn)象。如在執(zhí)行需要注意力高度集中的任務(wù)時(shí)，α 波段的ERD常常被觀察到，表示大腦區(qū)域的活躍性增加。同樣，ERS也可以在認(rèn)知任務(wù)完成后或在不同的任務(wù)階段觀察到，表示大腦皮層區(qū)域的協(xié)調(diào)性變化或活躍性的減少。

除了以上表8的補(bǔ)充說明外，表7中誘發(fā)ERPs的認(rèn)知事件[155]包括注意（Attention）、感知（Perception）、記憶（Memory）、思維（Thinking）、語言（Language）、決策（Decision-Making）、問題求解（Problem-Solving）和學(xué)習(xí)（Learning）等。這些認(rèn)知活動(dòng)或心理過程的簡(jiǎn)要說明和主要作用如表9所示。這些過程使得個(gè)體能夠感知、理解、學(xué)習(xí)和應(yīng)對(duì)環(huán)境。

表9 主要認(rèn)知活動(dòng)或事件的簡(jiǎn)要說明和主要作用

3.5.3 視覺誘發(fā)電位（VEPs）

VEPs是瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs）的一種類型，在BCI中有重要應(yīng)用[156]。VEPs是一種電生理測(cè)量，通過視覺刺激（如閃光、圖案反轉(zhuǎn)和光點(diǎn)等刺激）引起的大腦電活動(dòng)，通常由放置在頭皮（視覺皮層（枕葉））上的電極記錄，可通過對(duì)多次刺激響應(yīng)進(jìn)行平均來提高信噪比。VEPs主要用于評(píng)估視覺通路功能，從視網(wǎng)膜到大腦視覺皮層的信號(hào)傳導(dǎo)，包括視神經(jīng)、視交叉、視束和視輻射等結(jié)構(gòu)。

VEPs具有臨床應(yīng)用價(jià)值，包括診斷和監(jiān)測(cè)視覺通路疾病[65-66]，如在青光眼診斷中利用VEP的客觀視野測(cè)定方法[67]，還可以作為BCI范式研發(fā)BCI系統(tǒng)（VEP-BCI）。

除了VEPs外，在表4中瞬態(tài)誘發(fā)電位（TEPs）還有聽覺誘發(fā)電位（AEPs）、體感誘發(fā)電位（SEPs）、運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（MEPs）、事件相關(guān)電位（ERPs）等，表10對(duì)它們進(jìn)行了比較。

表10 視覺、聽覺、體感和運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位與事件相關(guān)電位之間的一個(gè)比較

在表10中，刺激運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生MEPs的主要腦區(qū)有初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)（M1）、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)（SMA）和前運(yùn)動(dòng)區(qū)（PMC），這些腦區(qū)的位置、功能和引起MEPs的作用如表11所示。文獻(xiàn)[157]討論了經(jīng)顱磁刺激（TMS）在刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和誘發(fā)MEPs方面的應(yīng)用，文獻(xiàn)[158]探討了通過刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)產(chǎn)生MEPs的機(jī)制。

表11 通過刺激產(chǎn)生MEPs的主要腦區(qū)的位置、功能和作用

3.5.4 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEPs）

SSVEPs是一種電生理測(cè)量，由頻率或相位固定的重復(fù)視覺刺激（如閃爍光源或圖案反轉(zhuǎn)等）誘發(fā)[68]。SSVEPs的頻率與視覺刺激的頻率一致，可以通過放置在頭皮上的電極記錄[68-69]。這種誘發(fā)電位常用于BCI和神經(jīng)科學(xué)研究中[70-72]，因?yàn)樗哂休^高的信噪比和時(shí)間分辨率，如圖2所示，當(dāng)人注視以一定頻率閃爍的光刺激時(shí)，會(huì)在大腦視覺皮層產(chǎn)生與該頻率相對(duì)應(yīng)的功率譜密度（PSD）峰值。該刺激頻率對(duì)應(yīng)的峰值可以被計(jì)算機(jī)分析識(shí)別。

圖2 刺激頻率（9Hz、11Hz和13Hz）

在功率譜密度（PSD）的峰值有清晰的顯示[73]。

除了SSVEP外，在表4中穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位還有穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位（SSAEPs）、穩(wěn)態(tài)體感誘發(fā)電位（SSSEPs）等，表12對(duì)它們進(jìn)行了比較。

表12 SSVEPs、SSAEPs、SSSEPs之間的一個(gè)比較

3.5.5 穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口（SSVEP-BCI）

SSVEP-BCI是一種BCI技術(shù)[71]，利用周期性視覺刺激引起的SSVEP作為輸入信號(hào)來實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的直接交互。當(dāng)用戶注視不同頻率的閃爍光源時(shí)，SSVEP-BCI系統(tǒng)可通過檢測(cè)和解碼EEG中特定頻率或相位的重復(fù)視覺刺激誘發(fā)的SSVEP來識(shí)別用戶的意圖[68][70] ，以選擇和執(zhí)行特定的控制命令。

SSVEP-BCI系統(tǒng)的工作原理基于以下幾點(diǎn)。

（1）SSVEP現(xiàn)象。當(dāng)人眼注視某一頻率的閃爍光源時(shí)，視覺皮層會(huì)產(chǎn)生與該閃爍頻率相同或其諧波頻率的電活動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）。

（2）頻率編碼。在SSVEP-BCI系統(tǒng)中，不同的控制命令可由不同頻率的閃爍光源編碼。用戶通過注視不同頻率的光源來選擇相應(yīng)的命令。除了頻率編碼外，還可以結(jié)合其他編碼。

（3）信號(hào)檢測(cè)。利用EEG設(shè)備記錄大腦的電活動(dòng)，特別是在視覺皮層區(qū)域（如枕葉，O1和O2電極位置）。

（4）頻率解碼。對(duì)記錄的EEG信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，檢測(cè)出SSVEP的主要頻率成分，從而識(shí)別用戶注視的光源頻率。除了頻率解碼外，還可以結(jié)合其他特征解碼。

（5）控制命令。根據(jù)識(shí)別出的頻率，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，如移動(dòng)光標(biāo)、選擇選項(xiàng)或操控設(shè)備等。

SSVEP-BCI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)步驟可參考如下五個(gè)方面。

（1）視覺刺激設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)不同頻率和相位的閃爍光源或圖形，并合理安排其在屏幕上的位置，確保用戶在注視某一光源時(shí)能夠產(chǎn)生清晰的SSVEP信號(hào)。

（2）EEG信號(hào)采集。利用EEG設(shè)備在視覺皮層區(qū)域（如Oz、O1、O2電極位置）記錄腦電信號(hào)，確保信號(hào)具有足夠的空間分辨率和信噪比。

（3）頻譜分析。通過快速傅里葉變換（FFT）、相干分析或小波變換等方法對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取SSVEP的主頻率成分。

（4）頻率識(shí)別與命令執(zhí)行。可基于特征匹配或機(jī)器學(xué)習(xí)等算法識(shí)別SSVEP的主頻率，從而確定用戶注視的目標(biāo)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

（5）反饋機(jī)制。通過視覺、聽覺或觸覺等形式實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)狀態(tài)，幫助用戶優(yōu)化注視策略，提高控制精度。

文獻(xiàn)[71-72] [75]提供了關(guān)于SSVEP-BCI的基本原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用案例的詳細(xì)討論，有助于進(jìn)一步理解SSVEP-BCI的工作機(jī)制和實(shí)現(xiàn)過程。

3.6 穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口（SSAEP-BCI）相關(guān)術(shù)語

3.6.1 聽覺誘發(fā)電位（AEPs）

AEPs是一種電生理測(cè)量，由聽覺刺激（如點(diǎn)擊聲、音調(diào)變化或言語聲音等）引起的大腦電活動(dòng)。這些電活動(dòng)通常由放置在頭皮上的電極記錄，并通過對(duì)多次刺激響應(yīng)進(jìn)行平均來提高信噪比。P50、N100、P200是典型的AEPs成分。AEPs用于評(píng)估聽覺系統(tǒng)的功能，包括評(píng)估外耳、中耳、內(nèi)耳到聽覺中樞的功能。

文獻(xiàn)[55]詳細(xì)介紹了AEPs的基本原理、測(cè)量方法及其在研究和臨床中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[91]討論了聽覺腦干誘發(fā)電位（Auditory Brainstem Response，ABR）的產(chǎn)生機(jī)制和其神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[92]概述了N1響應(yīng)及其在聽覺研究和臨床中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[93]提供了關(guān)于各種AEPs的詳細(xì)信息，包括腦干聽覺誘發(fā)電位（ABR）、中潛伏期聽覺誘發(fā)電位（Middle Latency Response，MLR）和長(zhǎng)潛伏期聽覺誘發(fā)電位（Long Latency Response，LLR）；文獻(xiàn)[94]討論了腦干聽覺誘發(fā)電位（ABR）的臨床應(yīng)用，包括聽覺障礙的診斷和評(píng)估。

3.6.2 穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位（SSAEPs）

SSAEPs是一種電生理測(cè)量，大腦在周期性的聽覺刺激下產(chǎn)生的持續(xù)且相對(duì)穩(wěn)定的電位響應(yīng)。通常，SSAEPs的頻率與刺激頻率緊密相關(guān)，呈現(xiàn)出與刺激頻率相同或整數(shù)倍的響應(yīng)頻率[95]。這種穩(wěn)態(tài)信號(hào)由于具有較高的信噪比和穩(wěn)定性，成為設(shè)計(jì)BCI系統(tǒng)的有力工具。因此，SSAEPs被廣泛應(yīng)用于聽覺系統(tǒng)的研究以及基于EEG的BCI系統(tǒng)[96]。

3.6.3 基于穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口（SSAEP-BCI）

SSAEP-BCI是一種通過監(jiān)測(cè)大腦對(duì)周期性聽覺刺激的穩(wěn)定響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的系統(tǒng)[96]。SSAEP-BCI利用穩(wěn)態(tài)聽覺誘發(fā)電位（SSAEPs）的特性，將大腦對(duì)特定頻率聽覺刺激的響應(yīng)作為控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)腦與計(jì)算機(jī)之間的通信和控制。

SSAEP-BCI系統(tǒng)的工作原理基于以下幾點(diǎn)。

（1）聽覺刺激。提供周期性調(diào)制的聽覺刺激，通常是單一頻率的聲音（如調(diào)制音頻或頻率調(diào)制的音調(diào)）。

（2）神經(jīng)響應(yīng)。大腦的聽覺皮層會(huì)對(duì)這些頻率刺激產(chǎn)生同步的電位響應(yīng)，即SSAEPs。SSAEPs的頻率與聽覺刺激頻率一致，并且可以通過EEG信號(hào)檢測(cè)到。

（3）信號(hào)提取。使用EEG設(shè)備記錄頭皮上的腦電活動(dòng)，提取SSAEPs的頻率分量。

（4）特征識(shí)別。可通過頻率分析（如快速傅里葉變換）識(shí)別大腦對(duì)不同頻率聽覺刺激的響應(yīng)，從而將這些響應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的控制指令。

（5）控制信號(hào)生成。系統(tǒng)將識(shí)別出的頻率響應(yīng)與預(yù)設(shè)的命令關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)控制外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)的功能。

SSAEP-BCI系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)步驟可參考如下五個(gè)方面。

（1）刺激設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)多個(gè)具有不同頻率調(diào)制的聲音作為輸入，以便通過不同頻率的聽覺刺激實(shí)現(xiàn)不同的控制命令。

（2）EEG信號(hào)采集。利用高密度EEG設(shè)備采集用戶的腦電活動(dòng)，特別是SSAEPs的響應(yīng)信號(hào)。通常在聽覺皮層區(qū)域（如顳葉）記錄信號(hào)。

（3）信號(hào)處理。采用濾波、頻譜分析等技術(shù)提取SSAEPs的頻率成分，消除噪聲并增強(qiáng)信號(hào)。

（4）分類與控制。基于提取的頻率特征，可利用分類算法或簡(jiǎn)單的頻率匹配方法，將識(shí)別出的頻率響應(yīng)與預(yù)定的命令對(duì)應(yīng)，生成最終的控制信號(hào)。

（5）反饋與迭代。提供實(shí)時(shí)的視覺或聽覺反饋，幫助用戶調(diào)節(jié)腦電活動(dòng)以優(yōu)化系統(tǒng)性能。

文獻(xiàn)[97-99]提供了SSAEPs在BCI中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)方法的深入探討。

3.7 穩(wěn)態(tài)觸覺誘發(fā)電位腦-機(jī)接口（TEP -BCI）相關(guān)術(shù)語

3.7.1 觸覺誘發(fā)電位（TEPs）

TEPs是一種電生理測(cè)量，通過觸覺刺激（例如機(jī)械性壓力、振動(dòng)、或電刺激等）引發(fā)的腦電活動(dòng)。這些電活動(dòng)通常由放置在頭皮上的電極記錄，涉及多個(gè)通道，反映了大腦皮層對(duì)觸覺刺激的加工過程。TEPs可用于研究觸覺加工的神經(jīng)機(jī)制，并在臨床上用于評(píng)估感覺通路的功能完整性。

文獻(xiàn)[100]討論了體感誘發(fā)響應(yīng)，包括 TEPs，通過腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG）研究人類體感皮層的加工過程；文獻(xiàn)[101]回顧了中樞神經(jīng)系統(tǒng)因正中神經(jīng)刺激而產(chǎn)生的誘發(fā)電位，包括 TEPs 的特征和機(jī)制；文獻(xiàn)[102]研究了人類體感系統(tǒng)的發(fā)展，特別是通過MEG 測(cè)量 TEPs 的生成和特征；文獻(xiàn)[103]利用全腦的腦磁圖研究了對(duì)中樞神經(jīng)刺激的體感誘發(fā)磁場(chǎng)，涉及 TEPs 的分析；文獻(xiàn)[104] 研究了在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中，體感皮層損傷后的可塑性，涉及 TEPs 在皮層重組中的作用。

3.7.2 穩(wěn)態(tài)觸覺誘發(fā)電位（SSTEPs）

SSTEPs是由周期性觸覺刺激（例如機(jī)械振動(dòng)或定期壓力變化等）引發(fā)的大腦皮層電位響應(yīng)，可利用EEG記錄這種響應(yīng)。SSTEPs 的特點(diǎn)是電位響應(yīng)與刺激頻率同步，并且在刺激持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。它們可用于研究觸覺刺激的神經(jīng)加工過程，特別是在穩(wěn)態(tài)刺激條件下。文獻(xiàn)[105]討論了視覺誘發(fā)電位，但其方法和分析框架也適用于研究 SSTEPs；文獻(xiàn)[106]討論了在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中通過觸覺反饋產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的電生理響應(yīng)的可能性；文獻(xiàn)[107]提及了不同類型的穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位，包括 SSTEPs 的潛在應(yīng)用。

3.7.3 基于穩(wěn)態(tài)觸覺誘發(fā)電位的腦-機(jī)接口（SSTEP-BCI）

SSTEP-BCI是一種利用穩(wěn)態(tài)觸覺誘發(fā)電位（SSTEPs）作為輸入信號(hào)的BCI系統(tǒng)。這種系統(tǒng)檢測(cè)用戶對(duì)周期性觸覺刺激的神經(jīng)響應(yīng)，可通過EEG記錄、解碼并轉(zhuǎn)化為控制指令，以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的交互。

SSTEP-BCI 系統(tǒng)的工作原理基于以下幾點(diǎn)。

（1）觸覺刺激。系統(tǒng)向用戶提供特定頻率的機(jī)械振動(dòng)或其他觸覺刺激。

（2）神經(jīng)響應(yīng)記錄。通過 EEG 記錄大腦對(duì)這些觸覺刺激的響應(yīng)，特別是穩(wěn)態(tài)誘發(fā)電位。

（3）信號(hào)處理和特征提取。對(duì) EEG 信號(hào)進(jìn)行處理，提取出與刺激頻率相關(guān)的穩(wěn)態(tài)成分（SSTEPs）。

（4）分類與解碼。利用有效的機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法解碼這些神經(jīng)響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換為控制指令。

（5）輸出控制。系統(tǒng)根據(jù)解碼結(jié)果生成相應(yīng)的指令，用于控制計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備。

SSTEP-BCI 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)步驟可參考如下五個(gè)方面。

（1）刺激設(shè)計(jì)。選擇合適的觸覺刺激設(shè)備（如機(jī)械振動(dòng)器或壓電裝置），并設(shè)定刺激的頻率和模式。頻率應(yīng)在大腦皮層能夠產(chǎn)生穩(wěn)定響應(yīng)的范圍內(nèi)（通常在5-40 Hz之間）。

（2）EEG記錄。利用多導(dǎo)聯(lián) EEG 系統(tǒng)記錄用戶大腦的響應(yīng)，放置電極的位置應(yīng)覆蓋與觸覺相關(guān)的皮層區(qū)域（如頂葉和體感皮層）。

（3）信號(hào)處理。對(duì)記錄的 EEG 信號(hào)進(jìn)行濾波和傅里葉變換，提取出與觸覺刺激頻率相對(duì)應(yīng)的 SSTEPs。常用的處理方法包括帶通濾波和頻域分析。

（4）分類與解碼。采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)或線性判別分析等）對(duì)提取的 SSTEPs 進(jìn)行分類，以識(shí)別用戶的意圖。

（5）接口實(shí)現(xiàn)。將解碼的信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)控制指令，連接到計(jì)算機(jī)或其他控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。

文獻(xiàn)[108-110]可為 SSTEP-BCI 的研究提供理論依據(jù)和參考方法。

3.8 依賴性BCI（Dependent BCI）

依賴性BCI是需要借助用戶的正常中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）輸出的BCI系統(tǒng)，通常依賴于用戶肌肉活動(dòng)（如眼球運(yùn)動(dòng)）來產(chǎn)生或增強(qiáng)大腦信號(hào)，以進(jìn)行控制。例如，基于視覺誘發(fā)電位（VEP）和P300的BCI依賴于眼球運(yùn)動(dòng)來選擇目標(biāo)。文獻(xiàn)[227] [298]中提供了依賴性BCI的相關(guān)信息。

3.9 獨(dú)立性BCI（Independent BCI）

獨(dú)立性BCI是獨(dú)立于用戶中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）正常輸出或肌肉活動(dòng)的BCI系統(tǒng)。這種BCI僅依賴于大腦中樞神經(jīng)活動(dòng)，可直接通過大腦信號(hào)控制外部設(shè)備。例如，基于感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（SMR）的BCI不需要實(shí)際的肌肉活動(dòng)就可以進(jìn)行控制，對(duì)于那些完全失去肌肉控制能力的用戶（如ALS患者），獨(dú)立性BCI具有更大的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[227] [299]中提供了獨(dú)立性BCI 的相關(guān)信息。

3.10混合腦-機(jī)接口（Hybrid BCI）

混合腦-機(jī)接口（Hybrid BCI）以腦信號(hào)為主，并結(jié)合一種或兩種以上輸入信號(hào)的BCI系統(tǒng)。這些腦信號(hào)可以來源于不同類型的腦電活動(dòng)（如視覺誘發(fā)電位（VEP）與感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律（SMR）），或以腦信號(hào)為主要控制信號(hào)源并結(jié)合其他生理信號(hào)（如肌電信號(hào)（EMG））作為輔助信號(hào)來更好地控制外部設(shè)備。混合BCI旨在利用多種信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性和控制精度，從而更好地滿足用戶的需求。

混合BCI方法可用于增強(qiáng)BCI的功能和性能，特別是在康復(fù)和輔助設(shè)備的控制中。通過同時(shí)利用多種信號(hào)源，混合BCI能夠彌補(bǔ)單一信號(hào)源的不足，使系統(tǒng)在復(fù)雜的環(huán)境中更加穩(wěn)健和有效[3] [306-307]。

3.11 同步/異步腦機(jī)接口（Asynchronous/Synchronous brain-computer interface）

從是否允許用戶自定節(jié)奏（self-paced）操控BCI的角度，BCI可以分為同步BCI和異步BCI。這兩種BCI在交互方式或操作協(xié)議上有顯著的差別，如圖3所示[1] [2，第十章]，這導(dǎo)致它們?cè)趹?yīng)用場(chǎng)景上也有較大差別。

圖3 同步和異步BCI操作協(xié)議。（a）同步BCI操作協(xié)議；

（b）異步BCI操作協(xié)議

注：圖（a）的陰影部分表示BCI可以用于控制的時(shí)間，剖面線表示BCI期待用戶提供控制指令的時(shí)間，箭頭表示在BCI使用期之前由BCI提供的提示。圖（b）的連續(xù)陰影部分表示BCI對(duì)用戶一直可用，剖面線的矩形表示由用戶發(fā)起并被BCI識(shí)別出來的有意控制期間。剖面線之間的時(shí)間區(qū)域是有意的非控制期

3.11.1 同步BCI

同步BCI是一種由外部提示（如圖3（a）中箭頭）定節(jié)奏的BCI操作協(xié)議。用戶在預(yù)定義的時(shí)間窗口內(nèi)（如圖3（a）剖面線），根據(jù)外部提示（如視覺、聽覺或其他形式的提示）執(zhí)行特定的心理任務(wù)（如運(yùn)動(dòng)想象或視覺想象等），BCI系統(tǒng)在這一時(shí)間窗口內(nèi)采集并分析用戶的腦信號(hào)，由腦信號(hào)識(shí)別特定的心理任務(wù)（用戶意圖）以轉(zhuǎn)化為交流或控制命令[3-4]。

3.11.2 異步BCI

異步BCI是一種由用戶自定節(jié)奏（如圖3（b）剖面線）的BCI操作協(xié)議。用戶在BCI運(yùn)行期間的任何時(shí)間窗內(nèi)（如圖3（b）的連續(xù)陰影部分），無需外部提示，自主決定何時(shí)執(zhí)行特定的心理任務(wù)（如運(yùn)動(dòng)想象或視覺想象等），BCI系統(tǒng)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的腦信號(hào)，并由腦信號(hào)識(shí)別特定的心理任務(wù)（用戶意圖）以轉(zhuǎn)化為交流或控制命令。異步BCI將大腦模式分為有意控制期（Periods of intentional control，IC，例如運(yùn)動(dòng)想象（MI））（如圖3（a）剖面線區(qū)域）和有意的非控制期（Intentional noncontrol，INC）（如圖XX（b）剖面線之間的時(shí)間區(qū)域）[5-7]。

同步BCI和異步BCI在定節(jié)奏方式、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、局限性和應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在差異，如表13所示。

表13 同步和異步BCI比較

對(duì)于表13中同步和異步BCI應(yīng)用場(chǎng)景，以運(yùn)動(dòng)想象BCI（MI-BCI）為例，在同步MI-BCI應(yīng)用場(chǎng)景中，系統(tǒng)提示用戶在特定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象。在實(shí)驗(yàn)室研究設(shè)置中，用戶在屏幕上看到一個(gè)開始信號(hào)（如一個(gè)倒計(jì)時(shí)或視覺提示），指示他們開始執(zhí)行特定的運(yùn)動(dòng)想象（如左手或右手運(yùn)動(dòng)）。用戶可能會(huì)在完成任務(wù)后立即收到在線反饋，如分類或控制成功率或腦電圖特征的可視化等，以幫助他們調(diào)整和改進(jìn)心理活動(dòng)策略[17]。在臨床康復(fù)中，患者按照提示執(zhí)行特定的運(yùn)動(dòng)想象以幫助恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，訓(xùn)練師根據(jù)提示指導(dǎo)患者進(jìn)行訓(xùn)練，以確保訓(xùn)練的一致性和效果[18]。

在異步MI-BCI應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶無需等待外部提示，可以自主決定何時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象[15]。這種方式更接近自然的使用場(chǎng)景，適用于實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時(shí)交互。如日常生活輔助，用戶可以隨時(shí)由運(yùn)動(dòng)想象控制智能家居設(shè)備（如開關(guān)燈和窗、調(diào)節(jié)溫度和控制音響等），也可自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象來控制輪椅的移動(dòng)方向和速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的靈活控制[19]。又如在游戲和娛樂應(yīng)用方面，用戶在玩腦控游戲時(shí)，可以隨時(shí)通過運(yùn)動(dòng)想象來控制游戲角色的動(dòng)作，如跳躍、奔跑或攻擊，使得游戲交互更加自然和流暢，增強(qiáng)游戲的沉浸感和互動(dòng)性；在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶可通過運(yùn)動(dòng)想象進(jìn)行自主探索和互動(dòng)，提升虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的自由度和自然性，如用戶在想象“伸手”時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到相關(guān)信號(hào)并在虛擬環(huán)境中執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作[16]。

雖然異步BCI比同步BCI在用戶自主性和自然交互方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是異步BCI的實(shí)現(xiàn)比同步BCI的實(shí)現(xiàn)面臨更多的挑戰(zhàn)。同步BCI對(duì)用戶意圖的識(shí)別可根據(jù)外部提示提取預(yù)定義時(shí)間窗內(nèi)的腦信號(hào)建立分類模型，然而，異步BCI沒有外部提示和預(yù)定義的用戶執(zhí)行特定心理任務(wù)的時(shí)間窗，用戶在BCI運(yùn)行期間的任何時(shí)間窗內(nèi)均可發(fā)起有意控制[12]。異步BCI可能需要采用連續(xù)滑動(dòng)的時(shí)間窗，將大腦模式分為有意控制期（IC）和有意的非控制期（INC），對(duì)于INC期，異步BCI不輸出控制命令，對(duì)于IC期，需要進(jìn)一步識(shí)別是哪一種意圖（如左手運(yùn)動(dòng)想象還是右手運(yùn)動(dòng)想象）[14-15][10]。對(duì)于異步BCI面臨的挑戰(zhàn)，可采用先進(jìn)的技術(shù)和方法有效解決，推動(dòng)異步BCI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用[10]。

3.12分布式腦機(jī)接口（Distributed BCI）

分布式腦機(jī)接口（Distributed BCI）通過多個(gè)分散的控制模塊和信號(hào)處理單元來共同實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。這種設(shè)計(jì)模式旨在模擬大腦的分布式控制機(jī)制，不同的模塊處理特定的任務(wù)或動(dòng)作，彼此協(xié)調(diào)工作以執(zhí)行復(fù)雜的控制目標(biāo)。分布式BCI系統(tǒng)能夠結(jié)合目標(biāo)選擇策略與過程控制策略，從而提高動(dòng)作控制的可靠性、快速性和易用性，更真實(shí)地模仿中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的自然輸出。

分布式BCI特點(diǎn)包括但不限于以下幾點(diǎn)。

1）分布式信號(hào)處理。信號(hào)通過多個(gè)獨(dú)立但協(xié)作的通道處理，降低系統(tǒng)瓶頸。

2）模塊化控制。每個(gè)控制模塊可獨(dú)立執(zhí)行特定任務(wù)，類似大腦中不同區(qū)域分工。

3）系統(tǒng)冗余和魯棒性。系統(tǒng)冗余性增強(qiáng)，即使部分模塊失效，也能維持基本功能。

文獻(xiàn)[36] [10]中提供了分布式BCI的相關(guān)信息。

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