腦-機接口（BCI）相關術語

連載(七)

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1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

5.11 BCI系統快速性（Rapidity of BCI Systems）

控制系統的快速性是系統響應輸入信號的速度，即從接收到指令到完成相應操作所需的時間。快速性通常用來描述系統的響應時間、延遲或傳輸速度。一個快速的控制系統能夠在極短的時間內對輸入信號做出反應，這在實時控制應用中尤為重要。

BCI系統快速性是BCI系統從獲取用戶大腦信號到生成相應控制指令之間所需的時間。這包括信號采集、處理、解碼以及傳遞指令的整個過程。快速性是BCI系統的重要性能指標之一，直接影響系統的實時性和用戶體驗。為了實現有效的交互，BCI系統通常需要在幾百毫秒內完成信號處理和指令輸出，否則可能導致響應延遲，從而降低系統的可用性和用戶滿意度。

提高BCI系統快速性可以通過以下幾種方法實現。

1）優化腦信號處理流程。使用高效的特征提取算法，以盡可能減少數據處理的延遲。常用的方法包括時頻分析、快速傅里葉變換（FFT）以及自適應濾波器 。開發和采用實時分類算法，如支持向量機（SVM）或深度學習模型，這些算法能夠在短時間內準確分類大腦信號。

2）降低通信延遲。采用低延遲的數據傳輸協議和優化的網絡架構，確保腦信號能快速傳輸到處理單元。盡可能在設備本地進行信號處理，減少傳輸數據至遠端服務器的時間，從而加快響應速度。

3）提高采樣率和硬件速度。采用高采樣率的硬件設備，可以更快地捕捉腦信號變化，從而縮短系統響應時間。利用專用集成電路（ASIC）或圖形處理單元（GPU）來加速信號處理任務。

4）采用并行計算和優化的計算架構。通過并行計算，利用多線程或多核處理器來同時處理多個信號通道，減少處理時間。構建優化的系統架構，以減少計算瓶頸和數據處理的等待時間。

5）改進用戶界面響應速度。設計響應更快的用戶界面，減少用戶輸入和系統響應之間的延遲。為用戶提供即時反饋的機制，有助于提高系統整體的響應速度和用戶體驗。

參考文獻[9] [36] [163] [280] [328-329] [331-334]中提供了BCI系統快速性的相關信息。

5.12 BCI系統可靠性（Reliability of BCI Systems）

控制系統的可靠性是系統在指定的條件下和規定的時間內，能夠執行預期功能的能力。它反映了系統在長時間運行中維持性能、避免故障或錯誤的能力。可靠性通常通過統計方法進行度量，包括故障率、平均無故障時間（MTBF）等指標。

BCI系統可靠性是BCI系統在各種操作條件下穩定、持續地執行預期任務的能力。高可靠性的BCI系統應當在不同用戶狀態、環境條件和任務需求下，保持一致的性能和準確性，且不會因硬件故障、信號干擾或其他因素而導致系統失效或輸出錯誤。BCI系統的可靠性對于確保其在臨床或實際應用中的安全性和有效性至關重要。

提高BCI系統可靠性的方法包括但不限于以下幾種。

1）采用高質量的傳感器

選擇高性能的電極和傳感器，確保采集的腦信號具有足夠的信噪比（SNR），從而減少外界干擾對信號的影響。除此而外，通過偽跡消除算法、濾波器設計以及環境控制，減少外部干擾和噪聲對信號的影響，提高信號的穩定性。

2）改進算法的魯棒性

采用多通道數據融合技術，整合來自多個電極的數據，以提高對噪聲和偽跡的抗干擾能力，增強系統的穩定性。此外，可采用能夠實時自適應調整的算法，使系統能在不同條件下保持高效穩定的性能。

3）提升系統冗余度

在系統設計中引入冗余硬件，以確保即使在某個硬件模塊發生故障時，系統仍能正常運行。也可通過軟件容錯技術，確保在出現軟件故障或異常時，系統能及時恢復或進行故障隔離，避免影響整體系統的穩定性。

4）長期用戶數據積累與優化

利用用戶的長期數據進行個性化模型校準，優化系統對每個用戶的適應性，從而提高整體可靠性。還可以通過機器學習算法的持續學習機制，使系統能夠不斷更新和優化，適應用戶的行為變化和腦信號的波動。

5）改進用戶界面和反饋機制

為用戶提供實時的反饋機制，有助于用戶根據系統反饋調整自身狀態，從而提高系統的可靠性。通過培訓用戶使用BCI系統，增加他們的使用熟練度，從而減少由于誤操作或使用不當導致的系統不穩定性。

文獻[36] [126] [227] [280] [329] [335-336]中提供了BCI系統可靠性的相關信息。

5.13 BCI系統安全性（Safety of BCI Systems）

控制系統的安全性是系統在運行過程中不會對操作者、環境或其他設備造成危害的能力。安全性涵蓋了防止意外事故、硬件故障、惡意攻擊等多方面內容，以確保系統在預期和非預期情況下都能安全運行。

BCI系統安全性是BCI系統在操作過程中確保用戶和系統本身的安全性。這包括防止對用戶大腦或身體的直接傷害（如電流過大導致的生物組織損傷）、避免長時間使用對大腦或神經系統的負面影響、以及系統誤操作或失靈時的應急處理機制。安全性是BCI系統在臨床應用、康復訓練以及商業化使用中的重要評估標準，確保系統不僅有效，還要無害于用戶。

提高BCI系統安全性的方法包括但不限于以下幾種。

1）數據加密與隱私保護

在信號傳輸過程中采用先進的加密算法，確保數據在傳輸過程中不被非法截取和篡改，從而保護用戶的隱私和數據安全。在數據存儲和處理過程中，采用嚴格的隱私保護措施，確保用戶的敏感信息不會被濫用或泄露。

2）系統容錯與冗余設計

設計冗余的硬件和軟件系統，以應對可能出現的設備故障或軟件錯誤，確保系統能夠在故障發生時保持正常運行。建立實時監控系統，對關鍵參數進行實時監控，并在出現異常時及時發出警報，以防止潛在的安全風險。

3）用戶安全性保護

使用經過驗證的生物相容性材料來制造電極和其他接觸用戶身體的部件，避免對用戶健康產生不良影響。嚴格控制設備的電磁輻射和電流強度，確保不會對用戶的健康造成威脅。

4）系統使用培訓與規范操作

對用戶進行系統使用的培訓，使其了解正確的使用方法和潛在的安全風險，從而減少因操作不當導致的安全問題。制定嚴格的操作規范，確保系統在使用過程中遵循安全標準，減少可能的風險。

5）持續的安全評估與更新

對系統進行定期的安全評估，發現并修復潛在的安全漏洞，確保系統的持續安全性。及時發布安全更新和補丁，以應對新出現的安全威脅和漏洞。

文獻[36] [337-339]中提供了BCI系統安全性的相關信息。

5.14 BCI系統易用性（Ease of Use for BCI System）

控制系統的易用性（Usability of Control Systems）是系統在操作、理解和學習方面的便捷程度。一個易用的控制系統應當具有直觀的用戶界面、簡單的操作步驟，并且要求用戶在最少的學習時間內掌握系統的操作。這對于實現有效的用戶體驗和提高系統的接受度至關重要。

BCI系統易用性（Ease of Use for BCI System）是指BCI系統在設計和操作過程中對用戶的友好程度。這包括用戶能否輕松地學習和使用系統，系統是否提供及時的反饋，以及系統的界面設計是否符合人體工程學原則。易用性在BCI系統中尤為重要，因為它直接影響到系統在實際應用中的可行性和用戶的接受程度。高度易用的BCI系統能夠降低用戶的學習曲線，提高系統的使用效率，并減少用戶的操作疲勞和錯誤率。

提高BCI系統易用性的方法包括但不限于以下幾種。

1）簡化用戶界面

設計簡潔直觀的用戶界面，使用戶能夠輕松理解和操作BCI系統。避免復雜的操作流程和技術術語，使用戶能夠快速上手。允許用戶根據自己的偏好和需求自定義界面設置，提高系統的友好性和操作便利性。

2）減少校準與訓練時間

開發高效的校準算法，減少用戶在使用前進行校準和訓練所需的時間。通過優化腦信號處理和分類方法，提升系統的即用性。利用機器學習技術，自動適應和調整系統參數，以減少用戶的參與程度，提高系統的易用性。

3）提供反饋與指導

在系統使用過程中提供實時的視覺、聽覺或觸覺反饋，幫助用戶了解其操作的效果，并進行相應的調整。在系統內嵌入用戶指導和幫助功能，通過教程、提示和視頻演示，幫助用戶熟悉和掌握系統的操作。

4）增強系統的適應性與魯棒性

通過個性化的腦信號處理和分析方法，使系統能夠適應不同用戶的腦信號特征，提高系統的普適性。優化系統以適應不同的使用環境，例如在噪音、光線變化或運動情況下仍能穩定運行。

5）簡化硬件設置

開發更加輕便、舒適的硬件設備，減少用戶佩戴時的不適感和操作負擔。例如，采用無線技術、柔性電極等，以提高用戶的使用體驗。將BCI系統的各個組件集成在一起，減少繁瑣的連接和設置過程，使得系統更加便攜和易用。

文獻[36] [115] [269] [333] [340-341]中提供了BCI系統易用性的相關信息。

5.15 BCI標準化

目前，由于BCI技術仍處于發展的初級階段，其技術成熟度較低，因此制定BCI標準化可能存在拔苗助長的風險。過早進行BCI標準化可能會限制對其創新和技術的多樣性，因為標準化傾向于確立固定的規范，這可能阻礙BCI新興技術的探索和發展。

然而，隨著BCI技術的逐漸成熟，標準化可以為BCI技術的推廣和應用提供必要的框架，有助于確保安全性、可靠性和可互操作性。因此，BCI標準化的時機應慎重考慮，以平衡技術創新和規范化之間的關系。

在合適的時機，BCI標準化制定并實施一系列技術規范和協議，以確保不同的BCI系統在設計、操作、數據處理、用戶界面、安全性等方面具有一致性和互操作性。BCI標準化的主要目的如下。

1）提高互操作性。確保不同BCI系統之間能夠互通和兼容，促進技術的廣泛應用。

2）增強安全性和可靠性。通過統一的標準，減少系統故障和潛在的安全隱患，保護用戶安全。

3）促進技術普及。通過標準化，使得BCI技術能夠更快地進入市場，推動其在醫療、康復、娛樂等領域的應用。

4）規范行業發展。為研究機構和商業公司提供一致的研發方向，減少重復勞動，優化資源配置。

制定BCI標準化的方法包括但不限于以下。

1）多方參與。集成研究機構、行業專家、標準化組織、監管機構以及最終用戶的意見，以制定全面的標準。

2）逐步推進。從核心技術（如信號采集、處理算法等）入手，逐步擴展到其他相關領域。

3）基于實驗數據。標準的制定應基于大量實驗數據和臨床驗證，確保標準的科學性和實用性。

4）動態更新。隨著技術的發展，標準需要定期更新，以適應新的技術進展和應用需求。

BCI標準化的主要意義如下。

1）促進技術成熟。標準化有助于技術的穩定發展，減少開發過程中不必要的復雜性。

2）提升用戶體驗。通過統一的標準，用戶可以獲得一致且優化的體驗。

3）加速市場化進程。標準化可以降低研發和生產成本，推動BCI產品更快進入市場。

4）保障競爭公平。標準化可以減少壟斷行為，確保市場上有更多的選擇，促進公平競爭。

文獻[3] [9] [280]中提供了BCI標準化的相關信息。

5.16 BCI產業轉化（Translation of BCI）

BCI產業轉化（Translation of BCI）是將BCI技術從實驗室研發階段轉移到商業化和實際應用的過程。其目標是通過技術轉化和商業開發，將BCI系統應用于醫療、輔助技術和娛樂等領域，從而讓患者或消費者受益，并實現商業利潤。這一過程涉及技術成熟度的提升、產品開發、臨床驗證、市場推廣以及法規合規等多個環節。

BCI產業轉化的主要挑戰包括BCI技術成熟度不高、市場需求不明確、研發和監管成本高昂等。此外，由于BCI技術仍處于早期發展階段，產業轉化的成功需要多學科團隊的合作，以確保技術的實用性、可靠性和用戶體驗的提升。文獻[1] [36]中提供了BCI產業轉化的相關信息。

5.17 假冒偽劣BCI產品

假冒偽劣BCI產品通常指的是那些以BCI名義銷售的商業設備，但實際上無法準確區分腦電圖（EEG）信號和肌電圖（EMG）或其他非大腦信號。這類設備可能采用簡單的傳感器來檢測頭皮上的電信號，但由于它們的技術限制，這些信號可能被身體其他部位產生的電活動所污染。結果是，這些設備的輸出可能不是真正反映大腦活動的BCI信號，而是混雜了肌肉活動或眼動等其他生物信號。

使用這些假冒偽劣BCI產品的風險在于它們無法提供準確的大腦信號解讀，可能導致用戶誤以為其設備是有效的BCI系統。這樣的產品不僅誤導消費者，還可能對BCI技術的公眾形象和信譽造成負面影響。識別假冒偽劣BCI產品的一些方法主要包括。文獻[313]提供了BCI中的EMG和EOG偽跡。

1）查看設備是否經過嚴格的科學驗證和臨床試驗。

2）了解設備是否使用了有效的偽跡去除技術，以確保其輸出的信號確實來自大腦。

3）檢查設備的評測和用戶反饋，尤其是科學社區的評價。

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