腦-機接口（BCI）相關術語

連載(五)

昆明理工大學伏云發教授團隊

【導讀】為了方便腦機接口（Brain-computer interface，BCI）初學者、中級和高級研發者查閱或精準理解BCI相關術語，本章列出了BCI相關術語。第一節為前言，第2節列出了與BCI直接相關的術語，第3節列出了與BCI緊密相關的術語，后面的幾節分別列出了在BCI文獻中使用的若干術語，包括BCI用戶相關術語、實用BCI相關術語、用于BCI的腦神經電磁信號和腦組織血氧水平記錄相關術語、BCI相關腦結構與功能術語，以及BCI相關的其他術語。這種列舉方式是為了整理BCI相關術語的方便，不是絕對的，也不是標準，僅供參考，目的是為了方便查詢或理解BCI相關術語。

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1.1-2.15節請看

3.1 -3.4節請看

3.5-3.12節請看

4.1-4.5節請看

第4節 BCI用戶相關術語

4.6 BCI使用情況（Usage of BCI）

BCI使用情況是BCI系統在實際生活中的應用及其被用戶或臨床患者所使用的程度和方式，包括BCI系統的易用性、長期獨立使用性、實際使用頻率以及對用戶生活質量改善的程度。文獻[36] [116] [227]中提供了BCI使用情況的相關信息。

BCI系統日常使用情況評價可通過隨訪特定BCI用戶，對使用中的四個問題進行調查，包括：

1）用戶是否能夠使用BCI系統。評價等級為不能、基本能夠、能夠。

2）為用戶定制的BCI系統是否適合長期獨立的使用。評價等級為不適合、適合。

3）為用戶定制的BCI系統是否被使用且是如何被使用的。評價等級為未使用、較少使用、經常使用。

4）為用戶定制的BCI系統是否改善了其生活質量[138]。評價等級為未改善、改善較小、改善良好

所調查的上述四個問題是BCI技術轉化為實際應用需要考慮的[1] [114] [133] [138]。

4.7 個性化BCI（Personalized Brain-Computer Interface）

個性化BCI是指為特定用戶定制的BCI系統，通過適應個體的神經特征、行為模式和偏好，優化BCI系統的性能和用戶體驗。這種個性化設計不僅提高了信號解碼的精度和系統響應的效率，還增強了用戶的操作舒適度和系統的整體適用性。個性化BCI涉及以下幾個方面。

1）定制化神經解碼。基于個體神經特征的數據，開發和優化專屬的解碼算法，以提高腦信號的識別精度。

2）個性化用戶界面。調整界面設計和交互方式，以符合用戶的使用習慣和需求，增強操作體驗。

3）適應性訓練。設計個性化的訓練協議，使用戶更快地適應BCI系統，并在使用中獲得更好的性能。

4）動態調整。通過持續監測用戶的反饋和腦信號，實時調整系統參數，以應對個體差異和使用中的變化。

文獻[176]探討了個體間和個體內神經信號的差異性，以及個性化BCI在應對這些差異性方面的重要性。

4.8 BCI醫學

BCI醫學是一門將BCI技術應用于醫學，以更好地實現醫學目標的學科。BCI醫學的科學根基在于運用BCI的原理與方法不斷完善臨床實踐，以預防、診斷、治療并促進某些腦部相關疾病的康復。BCI醫學的發展為許多疾病的治療和康復訓練提供了新的希望 [130]。

BCI醫學研究及應用涉及多學科的交叉融合，包括臨床醫學、神經科學、認知科學、心理學、生物醫學工程、神經與康復工程、生物材料學、生物學與生物化學、人工智能、計算機科學、電子工程、智能機器人控制、模式識別與現代信號處理等多個學科。

BCI醫學的主要研究內容或方向包括：1）對BCI技術的不斷變革或優化。這包括開發以患者為中心的友好BCI范式和神經編碼模型、患者可接受的或滿意的腦信號采集方法、高效的神經解碼算法及優化的神經反饋方法等。2)推進BCI在預防、診斷、治療和康復等醫學目標的轉化研究及實際應用。

4.9 BCI醫學目標（Medical Goals of BCI）

BCI醫學目標在于運用BCI技術應對傳統醫療方法難以克服的醫學挑戰，以此進一步提高患者的生活質量。它有助于實現現代醫學目標，更有效地預防、治療和康復與中樞神經系統相關的疾病，包括以下四個目標。

（1）BCI在預防疾病與損傷、促進及維持健康方面具有潛在的重要作用。

（2）BCI在緩解疾病引起的疼痛和減輕患者痛苦方面展現出潛在的作用。

（3）BCI在疾病治療和患者護理方面展現出其潛在價值，特別是對于那些無法治愈的病人的照料。

（4）BCI在防止過早死亡及支持臨終關懷方面具有潛在價值。

除了可能幫助實現上述醫學目標外，BCI技術在醫學應用中還有其他一些重要目標。Klein[344]提出在醫學目標的框架下思考BCI醫學實踐，并提出了4個補充目標，涉及神經多樣性、神經隱私、真實性和代理等方面。此外，還需考慮到患者可能從植入式BCI獲益，盡管這一目標存在安全性問題，以下是BCI用于醫學的5個補充目標[343]。

（1）BCI技術系統應確保患者從植入式BCI獲益。

（2）BCI技術系統應充分考慮患者個體之間的神經多樣性和個體內部的神經變異性。

（3）BCI技術系統應保護患者的神經隱私。

（4）BCI技術系統應協助患者做出真實的生活選擇。

（5）BCI技術系統應幫助患者行使和分享代理權。

隨著BCI在臨床應用研究的發展，可能還會出現BCI用于醫學的其他目標。

4.10 BCI倫理

4.10.1 顱內BCI（Intracranial BCI）

顱內BCI（Intracranial BCI）也是植入式BCI（Implanted BCI）或有創BCI（Invasive BCI），需要穿透顱骨，通過手術將電極放置在大腦皮層表面（如ECoG）或植入大腦皮層內部（如微電極陣列），以記錄神經活動或刺激神經元[36] [279]。該類BCI通常能夠獲得較高信噪比的信號，空間和時間分辨率較高，主要用于研究高級神經功能、開發高性能的BCI系統，具有臨床應用前景，如運動功能重建、神經功能恢復、治療癲癇等。

4.10.2 顱外BCI（Extracranial BCI）

顱外BCI也是無創BCI（Non-invasive BCI）或非植入式BCI（Non-implanted BCI），不需要穿透顱骨，不需要手術植入電極，其電極放置在顱骨外部記錄腦信號，信號易受外界噪聲影響，通常較植入式BCI的信噪比低。該類BCI適用于低風險的研究、臨床應用和娛樂等領域[280]。

4.10.3植入式BCI（Implantable/ Invasive brain-computer interface）

植入式BCI是一種直接植入大腦內部或表面的BCI系統。該類系統通過外科手術將電極植入大腦皮層、放置在硬膜上或放置在硬膜下大腦皮層表面，直接記錄神經元或神經元群的活動信號，或可同時對神經元進行刺激。這種方法因電極接近或植入大腦皮質，能夠獲得較高空間分辨率和信噪比的神經信號，可支持更精細的神經解碼[130-131]。

植入式BCI有望植入后長期使用，通常用于恢復癱瘓患者的運動能力或用于醫療研究。植入式BCI面臨植入手術風險、電極與腦組織的長期兼容性、信號穩定性等挑戰。文獻[36] [224]為植入式BCI的原理、技術細節及其在醫學領域的應用提供了深入的背景信息。

4.10.4植入式BCI倫理（Ethics for implantable brain-computer interface）

植入式BCI倫理涉及對植入式BCI技術在研發和應用過程中引發的倫理問題的討論和規范。這一領域主要涉及患者的安全與隱私、知情同意、長期影響以及社會與法律的影響。

1）植入式BCI安全性。植入式BCI技術可能會對用戶大腦組織造成損傷或引發感染等風險，因此確保手術和設備對用戶的安全性至關重要。

2）植入式BCI神經隱私。由于植入式BCI可以收集大量用戶神經數據，如何保護這些數據的隱私也成為重要的倫理考量。

3）知情同意。由于植入式BCI的技術復雜性，確保用戶（包括受試者或患者）在理解技術和可能風險的情況下自愿參與或使用，是倫理的核心要求。

4）長期影響。植入式BCI的長期使用可能對大腦功能產生持續影響，如何評估和監測這些影響，避免可能的負面后果，是研究和應用中的重要議題。

5）社會與法律影響。植入式BCI技術的應用可能引發社會不公、隱私侵犯及身份認同等問題，同時也要求法律框架的完善，以保護使用者的權益。

文獻[130-131] [169]為植入式BCI的倫理問題提供了深入的分析，有助于理解該技術發展對社會和個人的影響。

4.10.5非植入式BCI（Non-Invasive Brain-Computer Interface）

非植入式BCI指的是無需在大腦中植入電極或其他設備的BCI技術。非植入式BCI通過外部傳感器（如采集EEG、MEG和fNIRs等信號的傳感器）記錄大腦的活動，并將這些信號用于實現與計算機或其他外部設備的通信和控制。

非植入式BCI的主要優勢在于其安全性高、無手術風險、且易于使用和部署，其主要局限是采集的腦信號精度較低，受環境噪聲的影響較大，空間分辨率有限，且通常不適合長期連續監測。非植入式BCI在康復醫學（如中風患者的神經恢復訓練）、游戲控制、精神狀態監測、神經反饋訓練等領域具有潛在應用。文獻[1] [36]有助于進一步理解非植入式BCI的技術及其在不同領域的應用。

4.10.6非植入式BCI倫理（Ethics for Non-Invasive Brain-Computer Interface）

非植入式BCI倫理指的是在設計、開發和使用非植入式BCI技術時所需遵循的一系列倫理原則和道德考量。這些倫理問題涉及用戶隱私、數據安全、知情同意、長期使用對健康的影響，以及社會和法律層面的影響。

1）隱私與數據安全。非植入式BCI收集和處理腦信號數據，可能涉及到極為敏感的個人信息。因此，如何確保這些數據的隱私和安全性是倫理討論中的核心問題。

2）知情同意。用戶在使用非植入式BCI之前，必須充分了解設備的工作原理、潛在風險以及可能的長期影響，并自愿同意使用。這要求研發者和應用者提供清晰和透明的信息。

3）健康與安全。盡管非植入式BCI沒有外科手術的風險，但長期使用設備可能對頭皮、認知負荷、心理狀態等產生影響。倫理討論需要考慮如何評估和減輕這些潛在的負面影響。

4）公平與可及性。確保不同社會經濟背景的用戶平等地獲取和使用非植入式BCI技術，是倫理研究的重要方面。這包括技術的成本、教育推廣、以及對殘障人士的適應性設計。

文獻[130-131] [170-171]提供了理解非植入式BCI倫理的背景和指導原則，對于從事BCI相關技術研發和應用的人員至關重要

4.10.7 BCI醫學應用（Medical Applications of Brain-Computer Interface）

BCI醫學應用是指把BCI技術用于醫療領域。BCI醫學應用旨在通過解碼大腦活動，幫助患者恢復、增強或替代受損的神經功能，改善生活質量。主要的BCI醫學應用包括運動康復、神經康復、輔助設備控制以及腦疾病的早期檢測和診斷。

（1）運動康復。BCI用于幫助中風、脊髓損傷等患者進行運動功能恢復，通過解碼運動想象信號來激活相應的外骨骼或電刺激設備。

（2）神經康復。BCI結合神經反饋技術促進神經可塑性，幫助患者重新獲得失去的感知或運動能力。

（3）輔助設備控制。為重度運動障礙患者提供與外部環境交互的手段，如控制輪椅、假肢或計算機設備。

（4）腦疾病檢測和診斷。通過監測腦信號的異常模式，BCI可以用于早期發現和診斷癲癇、阿爾茨海默病等神經疾病。

文獻[9] [36] [73]探討了BCI在運動和神經康復中的應用，以及其在輔助設備控制和疾病診斷中的潛力。

4.10.8 BCI醫學應用倫理（Ethics for Medical Applications of Brain-Computer Interfaces）

BCI醫學應用倫理是指把BCI技術用于醫學領域時涉及的倫理問題和考量。這包括了BCI技術的使用對患者隱私、知情同意、風險評估和公平性等方面的影響。BCI醫學應用倫理旨在確保BCI技術的發展和應用符合倫理標準，保護患者的權利和利益。

（1）隱私和數據保護。BCI技術涉及與患者大腦相關的敏感數據，必須確保這些數據的安全性，防止未經授權的訪問和濫用。保護患者的腦信號數據不被泄露是關鍵。

（2）知情同意。患者需要充分了解BCI技術的潛在風險和收益，確保他們在自愿和知情的基礎上同意使用這些技術。

（3）風險評估。在臨床應用中，需要評估BCI技術可能帶來的醫療和心理風險，制定適當的安全措施和應對方案。

（4）公平性。BCI技術的應用應當公平，避免因經濟狀況、地理位置或其他社會因素導致的醫療服務不平等。

（5）倫理審查。BCI的醫學應用研究和實施必須經過倫理委員會的審查，以確保符合倫理標準和法規要求。

文獻[130-131]討論了BCI在醫學應用中涉及的倫理問題，包括隱私、知情同意、風險評估和公平性，提供了對這一領域倫理考量的深入分析。

4.10.9 BCI非醫學應用（Non-Medical Applications of Brain-Computer Interface）

BCI非醫學應用是指BCI技術在非臨床場景下的應用。這些應用不用于治療或診斷疾病，而是用于娛樂、通信、游戲、智能家居控制以及人機交互等領域。BCI非醫學應用旨在提升用戶體驗、擴展人類能力或在非醫療背景下改善生活質量。

BCI非醫學應用通常采用基于EEG或其他非侵入性技術的系統，允許用戶無需傳統的輸入設備（如鍵盤或觸摸屏）即可控制設備或進行通信。這類應用注重用戶體驗、可用性和可訪問性。文獻[161][173]概括了BCI非醫學應用的相關知識。

4.10.10 BCI神經隱私（Neuroprivacy in Brain-Computer Interface）

無論是植入式還是非植入式BCI，也無論是BCI醫學應用還是非醫學應用，均可能涉及神經隱私。

BCI神經隱私是指在BCI技術應用過程中，保護用戶腦信號數據不被未經授權的獲取、使用或分享的隱私權問題。由于BCI直接與大腦活動相關，所收集的腦信號數據可能包含敏感的個人信息，因此神經隱私成為BCI技術發展的關鍵倫理和法律挑戰。BCI神經隱私涉及以下幾個方面。

1）腦信號數據的敏感性

BCI技術通過電極或其他傳感器采集用戶的腦信號或其他神經信號，這些信號可能反映用戶的情緒、意圖、思想、記憶等敏感信息。因此，保護這些數據免受未經授權的訪問和使用至關重要。

2）潛在的隱私風險

（1）數據濫用。如果腦信號數據被濫用，可能會導致嚴重的隱私侵犯，如個性分析、行為預測，甚至是思想控制。

（2）數據泄露。由于BCI系統可能會連接到互聯網，數據泄露的風險增加，特別是在處理高度敏感的神經數據時。

3）法律與倫理框架

目前，關于神經隱私的法律和倫理框架尚不完善。隨著BCI技術的進步，制定明確的法規來保護用戶的神經隱私成為當務之急。

BCI研究者和開發者需要遵循嚴格的倫理準則，確保在設計和應用BCI技術時充分考慮隱私保護問題。

4）隱私保護技術

（1）數據加密。使用先進的加密技術保護腦信號數據的傳輸和存儲，以防止未經授權的訪問。

（2）數據匿名化。在必要時，將腦信號數據進行匿名化處理，以降低隱私泄露的風險。

文獻[174-175]為理解和應對BCI神經隱私問題提供了重要的理論和實踐依據。

4.11 BCI轉化醫學

BCI轉化醫學涉及BCI技術從實驗室到臨床的轉化和應用，有效地將BCI基礎研究與解決患者實際問題相結合。這一過程涵蓋了將BCI基礎研究的成果“轉化”落實，為疾病的預防、診斷、治療和康復及預后評估帶來便利[130]。

為促進BCI轉化為臨床應用，應關注臨床用戶的具體需求，并與臨床醫生建立緊密的合作關系。這一過程應遵循以用戶為中心的設計原則，確保BCI解決方案能夠滿足最終用戶的實際需要，并順利融入他們的日常生活中[162][177]。

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