腦-機接口（BCI）相關術語

連載(六)

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5節 實用BCI相關術語

面向實用的BCI需要縮小研究與實際應用之間的差距，本節列出了實用BCI相關的術語，包括BCI臨床驗證（Clinical Validation of BCI）、BCI臨床評估（Clinical Assessment of BCI）、BCI臨床推廣（Clinical Deployment of BCI）、BCI替代功效(Replacement efficacy of BCI)、BCI恢復功效(Restoration efficacy of BCI)、BCI增強功效(Enhancement efficacy of BCI)、BCI補充功效(Supplementary efficacy of BCI)、BCI改善功效(Improvement efficacy of BCI)、BCI系統穩定性（Stability of BCI Systems）、BCI系統準確性（Accuracy of BCI Systems）、BCI系統快速性（Rapidity of BCI Systems）、BCI系統可靠性（Reliability of BCI Systems）、BCI系統安全性（Safety of BCI Systems）、BCI系統易用性（Ease of Use for BCI System）、BCI標準化、BCI產業轉化（Translation of BCI）和假冒偽劣BCI產品。

5.1 BCI臨床驗證（Clinical Validation of BCI）

BCI臨床驗證是指通過嚴格的科學方法評估BCI技術在特定醫療環境下的有效性和安全性。驗證階段的目的是確定BCI系統是否在真實世界的臨床設置中能夠穩定、有效地提供預期的功能。

BCI臨床驗證方法主要包括：

1）實驗設計。在多中心、隨機對照試驗中對BCI系統進行驗證。

2）數據收集與分析。采用標準化的方法收集患者的臨床數據，并通過統計學分析評估BCI系統的療效。

3）安全性評估。監測并記錄BCI系統在使用過程中的副作用和并發癥。

5.2 BCI臨床評估（Clinical Assessment of BCI）

BCI臨床評估是指對BCI系統在臨床應用中的性能進行全面評估，包括其可用性、用戶接受度、功能表現和潛在的臨床效益。評估階段旨在了解BCI系統在廣泛患者群體中的實際效果和適用性。

BCI臨床評估的方法主要包括：

1）用戶反饋。通過問卷調查和訪談方式收集患者和醫生對BCI系統的使用體驗。

2）長期隨訪。評估BCI系統在長期使用中的效果和持續性。

3）功能測試。通過臨床功能測試評估BCI系統對患者生活質量和功能恢復的影響。

5.3 BCI臨床推廣（Clinical Deployment of BCI）

BCI臨床推廣是指在經過驗證和評估后，將BCI系統推廣應用到更廣泛的醫療機構和患者群體中，以實現其在臨床中的廣泛使用。推廣階段包括培訓醫療人員、制定標準操作流程，并持續監控系統的臨床應用效果。

BCI臨床推廣的方法主要包括：

1）培訓與教育。對醫療專業人員進行BCI系統的使用和維護培訓。

2）標準化指南。制定和發布BCI系統的臨床使用指南和標準操作流程。

3）持續監控與反饋。建立BCI臨床使用的反饋機制，定期收集和分析數據，以便進行必要的改進和優化。

BCI臨床驗證是BCI臨床應用的第一步，通過科學的研究方法驗證其安全性和有效性，而BCI臨床評估在驗證的基礎上，對BCI系統的實際應用效果進行更廣泛的評估，BCI臨床推廣是在驗證和評估之后，確保BCI系統在醫療實踐中的大規模應用。文獻[1] [36] [182]中涉及了BCI臨床驗證、BCI臨床評估和BCI臨床推廣的相關信息。

5.4 BCI替代功效 (Replacement efficacy of BCI)

BCI替代功效（Replacement efficacy of BCI）是用于替代受損或缺失的神經功能的BCI系統,旨在通過直接解碼用戶的大腦信號來控制外部設備，從而替代失去的運動、感覺或認知功能，幫助患者恢復自主性和生活質量[36]。

BCI替代功效主要應用于重度運動障礙患者，如腦卒中、ALS（肌萎縮側索硬化）等疾病導致的癱瘓患者[109]。通過替代有障礙的自然的神經肌肉通路，BCI系統可以讓用戶直接通過大腦活動控制機械臂、輪椅、計算機光標或其他設備。

5.5 BCI恢復功效(Restoration efficacy of BCI)

恢復功效的BCI(Restoration efficacy of BCI)是利用BCI技術來幫助患者恢復部分或全部喪失的神經功能或運動功能。恢復功效的BCI通常與神經康復相結合，通過重復利用特定的腦信號，促進大腦的神經可塑性，從而幫助患者重新建立或改善受損的功能。這類BCI在中風、脊髓損傷、帕金森病等疾病的康復治療中具有重要應用，可以有效幫助患者恢復運動能力或其他神經功能。文獻[9] [291-292]中提供了有關BCI恢復功效的相關信息。

5.6 BCI增強功效 (Enhancement efficacy of BCI)

BCI增強功效 (Enhancement efficacy of BCI)是利BCI技術來增強或擴展個體已有的神經或認知功能。與BCI恢復功效不同，BCI增強功效并不是為了恢復失去的功能，而是為了提升個體的正常功能，如提高記憶力、專注力或運動技能。通過與外部設備或計算系統的結合，BCI增強功效可以擴展個體能力，使其超出自然生理極限，在軍事、體育、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）等領域有潛在應用。文獻[36] [293-294]中提供了有關恢復BCI增強功效的相關信息。

5.7 BCI補充功效 (Supplementary efficacy of BCI)

BCI補充功效 (Supplementary efficacy of BCI)通過BCI技術來補充部分失去的神經或認知功能，但并不完全恢復原有功能。這類BCI通常用于幫助那些有部分功能喪失但仍保留部分能力的患者，例如中風患者或輕度運動功能障礙者。BCI補充功效可以通過提供輔助控制或補充反饋來提升患者的剩余能力，使其能夠更好地進行日常活動。文獻[1] [9] [291]中提供了有關BCI補充功效的相關信息。

5.8 BCI改善功效 (Improvement efficacy of BCI)

BCI改善功效 (Improvement efficacy of BCI)通過BCI技術對現有的神經或認知功能進行改善或優化，使得用戶能夠在特定任務或日常活動中表現得更加出色。這類BCI的目標不是恢復喪失的功能或補償部分缺失的能力，而是通過與大腦直接交互來提升健康個體的功能水平。例如，在工作效率、學習能力、運動表現等方面，通過BCI進行實時反饋和調節，用戶可以獲得相對較高的表現水平。文獻[36] [295-296]中提供了有關BCI改善功效的相關信息。

5.9 BCI系統穩定性（Stability of BCI Systems）

控制系統的穩定性是指系統在面對外部擾動或內部變化時，能夠維持或恢復到預期工作狀態的能力。換句話說，一個穩定的控制系統在輸入或環境條件發生變化時，不會發生無限制的振蕩、失控或崩潰，而是會逐漸趨于一個平衡狀態或回到原始設定的狀態。

BCI系統穩定性是BCI系統在長時間運行、頻繁使用或在不同環境下，能夠持續提供一致和可靠的輸出信號的能力。BCI系統的穩定性涉及多個方面，包括腦信號處理的穩健性、用戶大腦信號的持續一致性，以及系統對外部干擾（如電磁噪聲、用戶疲勞等）的抗干擾能力。確保BCI系統的穩定性對于實現可靠的腦控功能至關重要。

提高BCI系統穩定性主要包括但不限于以下幾個方面。

1）優化硬件設計。采用高靈敏度和低噪聲的傳感器，以確保采集的腦信號質量更高，更穩定。改進電極的設計和放置，以減少由于電極位置變化導致的信號波動。

2）改進腦信號處理方法。開發和應用先進的去噪算法，如自適應濾波器和獨立成分分析（ICA），以減少環境噪聲和偽跡的干擾。設計能夠應對腦信號波動的特征提取方法，提高分類器在不同條件下的一致性 。

3）個性化模型和自適應系統。根據個體的腦信號特征，定制化訓練模型，以適應用戶的個體差異，減少信號的波動。引入自適應算法，能夠隨著時間調整系統，以應對用戶狀態的變化，如疲勞或注意力分散。

4）環境控制。在使用BCI系統時，控制外界環境的干擾，如減少電磁噪聲和其他物理干擾，以保證腦信號的穩定性。創建一個安靜、舒適的使用環境，減少用戶在使用過程中的生理和心理壓力。

文獻[9] [163] [172] [280] [328-331]中提供了有關BCI系統穩定性的信息。

5.10 BCI系統準確性（Accuracy of BCI Systems）

控制系統的準確性是指系統在響應輸入指令時，輸出結果與預期目標之間的誤差或偏差程度。準確性越高，系統的輸出結果就越接近目標值。控制系統的準確性通常通過誤差分析來評估，例如使用均方根誤差（Root Mean Square Error, RMSE）或其他相關指標。

BCI系統準確性（Accuracy of BCI Systems）是BCI系統在解碼用戶大腦信號并將其轉換為控制指令時，正確識別和執行用戶意圖的能力。高準確性的BCI系統意味著系統能夠準確解碼出用戶的大腦活動模式，從而使輸出信號能夠正確控制外部設備，減少誤操作或錯誤指令的發生。準確性是BCI系統性能評估中的一個關鍵指標，通常通過實驗數據的正確分類率或誤差率來衡量。

提高BCI系統準確性的主要方法包括但不限于以下幾方面。

1）優化腦信號處理。通過濾波、獨立成分分析（ICA）等方法減少噪聲或偽跡，提高腦信號質量。

2）腦信號特征提取。提取并選擇與心理任務或外部刺激相關的腦信號特征，如時域、頻域和空域特征，以增強分類器的性能。

3）改進解碼腦信號算法和模型。采用先進的機器學習算法（如支持向量機和隨機森林等）以及深度學習模型（如卷積神經網絡等）來提高腦信號分類的準確性。根據個體的腦信號特點定制模型，以適應不同用戶的差異性。

4）增強數據采集。可采用多電極記錄多通道的腦信號，增加信號的空間分辨率。結合其他生物信號（如肌電和眼電等）進行多模態融合，增強分類的魯棒性和準確性。

5）用戶訓練和反饋機制。通過對用戶進行持續訓練，使其能夠更有效地控制BCI系統，從而提高系統的準確性。提供實時的視覺或其他形式的反饋，幫助用戶調整操作策略，提高BCI的控制精度。

文獻 [36] [163] [280] [331-332] [329-330]中提供了有關BCI系統穩定性的信息。

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