腦-機接口（BCI）相關術語

連載(十三)

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

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第9節 與BCI相關的其他術語

除了上述幾節與BCI相關的術語外，本節列出了與BCI相關的其他術語，包括中樞神經系統（CNS）自然/正常的輸入輸出（Natural/Normal Input/Output of the Central Nervous System）、中樞神經系統（CNS）人工的輸入輸出（Artificial Input/Output of the CNS）、BCI解決方案、非BCI解決方案、腦控技術（Brain-Controlled Technology）、腦控機器人技術（Brain-Controlled Robotics Technology）、共享控制策略、腦機協作策略、神經可塑性（Neuroplasticity）、自適應神經技術（Adaptive Neurotechnologies）、神經調控（Neuromodulation）、神經刺激（Neurostimulation）、基于肌電的肌-機接口（Myoelectric Control Interface）和基于眼電或眼動跟蹤的眼-機接口（Electrooculography-based or Eye-tracking-based Eye-Machine Interface）。

BCI是CNS的人工輸出，從大腦直接向外設輸出通信與控制指令。腦控技術是BCI的主要應用之一，共享控制策略與腦機協作是腦控智能機器人技術的重要方法，以提高這類腦控系統的穩定性、可靠性和安全性。BCI神經反饋訓練或調節可以促進用戶大腦神經可塑性，BCI是一種自適應神經技術。神經調控或神經刺激雖然不屬于BCI范疇，但是可以與BCI技術相結合。除此而外，基于肌電和眼電的接口也可以與BCI混合。

9.1中樞神經系統（CNS）自然/正常的輸入輸出（Natural/Normal Input/Output of the Central Nervous System）

中樞神經系統（CNS）自然/正常的輸入輸出是CNS接收來自外部環境和身體內部的感覺輸入（如視覺、聽覺和觸覺等），并根據這些輸入生成相應的運動輸出（如肌肉收縮和反射動作等）和生理反應（如激素分泌）。該過程是CNS與身體其他部位和外界環境進行交互的基礎，確保機體能夠適應和應對各種內外部刺激。文獻[327]提供了中樞神經系統（CNS）自然/正常的輸入輸出相關的信息。

9.2 中樞神經系統（CNS）人工的輸入輸出（Artificial Input/Output of the CNS）

中樞神經系統（CNS）人工的輸入輸出是為CNS提供非自然/非正常的感覺刺激或從CNS生成的非自然輸出的過程或系統。這包括如感覺反饋系統或刺激器等人工輸入，以及BCI等技術將CNS產生的腦信號轉化為與外部設備通信與控制的人工輸出。

需要注意的是，為CNS提供的外部刺激或信號不是自然的感覺輸入，而是旨在引發或調節神經活動而人工設計的刺激，而由CNS產生的信號通過人工系統（如假肢或BCI）轉化為實際動作。文獻[36]提供了中樞神經系統人工的輸入輸出相關的信息。

9.3 BCI解決方案

BCI解決方案通過直接解碼大腦信號來控制外部設備或執行任務，為患者和殘障人士提供替代或增強等功能[1]。這類技術允許個體通過大腦活動控制設備，如機械臂、計算機光標、輪椅或通信系統，幫助恢復獨立性、提高生活質量和工作效率。BCI 解決方案特別適用于嚴重運動障礙、語言障礙和神經系統疾病患者[109]。

BCI 解決方案在康復、輔助技術和神經修復領域具有顯著優勢。例如，患有ALS（肌萎縮側索硬化癥）的患者可以使用BCI系統進行通信或控制外部設備。BCI技術還可以幫助中風患者進行運動功能恢復，通過訓練大腦重新激活受損的神經回路。

9.4 非BCI解決方案

非BCI解決方案指不依賴直接解碼大腦信號的技術或方法，用于改善患者和殘障人士的生活質量或工作效率。這些解決方案通常包括康復訓練、假肢、語音識別技術、環境控制系統、輔助溝通設備、職業治療以及社會支持服務等[278]。

非BCI解決方案廣泛應用于康復治療和輔助技術。例如，物理治療和職業治療幫助中風患者恢復運動能力，假肢和輪椅為肢體殘障者提供移動性，語音識別技術為語言障礙者提供溝通手段。這些方法通常具有較高的可及性，并已成熟應用于各種患者和殘障人士。

9.5 腦控技術（Brain-Controlled Technology）

腦控技術是利用BCI系統，通過解讀大腦（中樞神經）的神經信號來直接控制外部設備的技術。這些信號可以來自不同的大腦區域，通過特定的算法解碼后轉換為控制指令，從而驅動外部設備的動作。

腦控技術的主要目的是通過直接利用大腦信號來控制設備，從而為那些失去運動能力或有嚴重肢體障礙的患者提供新的交互方式。它旨在替代、恢復、增強或補充傳統的身體控制方式，以提高患者的生活質量。

實現腦控的方法主要包括以下步驟。

1）腦信號采集。采用非侵入式（如EEG和fNIRS等）或侵入式（如皮層表面ECoG和皮質內微電極陣列等）技術采集大腦的神經信號。

2）腦信號處理與特征提取。通過算法濾波、處理并提取出與目標動作相關的腦信號特征。

3）腦信號解碼。將提取的腦信號特征解碼為具體的控制指令。

4）設備控制。將解碼的腦控指令發送至外部設備（如輪椅和機械臂等）以執行相應動作。

腦控技術有著廣泛的潛在應用，包括但不限于以下。

1）醫療康復。幫助癱瘓患者、截肢患者或有嚴重運動障礙的人恢復或增強行動能力。

2）輔助設備控制。例如，控制輪椅、義肢和機械臂等。

3）神經康復。利用腦控技術結合虛擬現實/增強現實或物理設備，幫助患者恢復大腦的神經功能。

4）游戲與娛樂。通過腦控技術實現更加沉浸式的游戲體驗。

5）人機交互。在智能家居和工業自動化中，通過大腦信號控制設備，實現更加自然的人機交互 。

文獻[10] [13] [36] [182] [197] [273] [280] [283]提供了腦控技術的相關信息。

9.6 腦控機器人技術（Brain-Controlled Robotics Technology）

腦控機器人技術是利用BCI技術，通過解碼用戶的大腦信號，來控制機器人或機械設備的技術。這一技術使得用戶能夠直接通過大腦意圖操控智能機器，實現特定的任務，如移動、抓取物體或執行復雜的操作。腦控機器人技術結合了神經科學、機器人學、人工智能和信號處理等多學科領域，目標是提供可選的、新穎的人機交互方式，特別是為行動不便的用戶提供新的控制方式和恢復自主性的手段。文獻[10] [36] [273]中提供了腦控機器人技術的相關信息。

9.7 共享控制策略

共享控制策略的原理是基于人機協作的理念，用戶通過BCI傳達高層次的意圖（目標選擇，如前進、后退和停止等），而系統自動處理低層次的任務（過程控制，如避障和路徑規劃等）[281-282]。這種方式使得系統既能響應用戶的意圖，又能根據環境進行智能調整。

共享控制策略的方法包括：

1）混合控制。結合BCI的輸出與傳感器數據，由系統自動執行具體操作。

2）任務分解。將復雜任務分解為用戶決策和系統自動執行的部分，例如用戶決定方向，系統處理細微的運動調整。

3）模糊邏輯或機器學習（包括深度學習）。利用模糊邏輯或機器學習算法來融合用戶的腦信號和系統的自動化控制指令，確保系統的穩定性和安全性。

共享控制策略的目的是結合BCI用戶的意圖和自動化系統的能力，優化外部設備（如輪椅、機械臂）的控制性能。通過將用戶的腦信號與系統的自動化功能相結合，減少用戶的負擔，提高任務執行的準確性、效率、穩定性、可靠性和安全性等。

9.8 腦機協作策略

腦機協作策略基于共享控制和信息融合的原理，將用戶的意圖（通過腦信號識別）與機器的自動化能力相結合。通過整合腦信號、環境數據和系統狀態，協作策略可以在不依賴于單一控制源（或者來源BCI系統的控制指令，或者來源智能自主機器系統的控制指令）的情況下做出更可靠的決策。腦機協作策略的具體原理包括：

1）共享控制。用戶和系統共同參與決策過程，系統自動完成較為簡單的任務，用戶只需控制關鍵決策點。

2）意圖預測和修正。利用算法預測用戶意圖，實時調整機器操作以提高精度。

3）多模態融合。結合其他生理信號（如肌電、眼動）和外部傳感器數據，增強系統的決策能力，提高系統的穩定性、可靠性和安全性。

腦機協作策略的具體方法包括：

1）動態權重分配。根據任務復雜度和環境變化，動態調整基于腦信號的BCI和機器自動控制之間的權重。

2）模糊控制與強化學習。通過模糊邏輯控制用戶輸入的模糊性，利用強化學習優化協同控制策略。

3）用戶反饋回路。實時提供反饋，使用戶能夠調節自己的腦信號輸出（提高BCI的準確性），從而提高系統響應的準確性。

基于BCI的腦控系統中的腦機協作策略的主要目的是優化人腦和機器之間的協作工作,增強BCI系統的性能，使其能夠更加精確、快速地執行任務，同時減輕用戶的認知負荷，提高用戶體驗感。這種策略有助于提升系統的可操作性和適應性，尤其在復雜任務和動態環境中，提高系統的穩定性、可靠性和安全性。文獻[161] [280] [283]提供或隱含了腦機協作策略相關信息

9.9 神經可塑性（Neuroplasticity）

神經可塑性（Neuroplasticity）是腦或中樞神經系統（CNS）在受到經驗、學習、環境變化和神經調控等的影響或損傷后，通過改變神經元連接的方式、強度或功能，從而適應這些變化的能力。這種可塑性是神經系統學習新技能、恢復受損功能以及適應環境變化的基礎。

神經可塑性包括但不限于以下類型。

1）結構性可塑性（Structural Plasticity）。指神經元之間的突觸連接數量和形態發生的變化，如樹突棘的生成或消失。

2）功能性可塑性（Functional Plasticity）。指大腦區域功能的重新分配（重組）或功能增強，如通過重復訓練來增強特定腦區的活動。

3）依賴于活動的可塑性（Activity-Dependent Plasticity）。指神經元活動水平變化所引起的突觸強度的調整，常見于學習和記憶過程中，如長時程增強（Long-Term Potentiation，LTP）和長時程抑制（Long-Term Depression，LTD），其中LTP通常與學習和記憶的形成有關，而LTD則與記憶的消除或遺忘相關。

4）中樞神經系統（CNS）的適應性可塑性。指CNS在面對持續性環境或行為改變時，通過長期結構和功能調整來適應這些變化的能力。

5）恢復性可塑性（Recovery Plasticity）。指神經系統在受損后，通過重新組織未受損神經元的連接來彌補功能缺失，如在中風后通過康復訓練恢復運動功能。

促進神經可塑性的方法包括但不限于以下幾種。

1）學習與認知訓練。通過學習新技能或參與認知訓練活動可以增強神經元之間的連接。

2）身體鍛煉。如有氧運動，可以促進神經生成和突觸可塑性。

3）神經調控技術。如通過使用BCI、電、磁、聲和光刺激等技術，直接作用于CNS促進神經重塑。

4）藥物干預。如使用神經營養因子或特定藥物來增強神經可塑性。

文獻[318-320]中提供了神經可塑性相關的信息。

9.10 自適應神經技術（Adaptive Neurotechnologies）

自適應神經技術是一類能夠與中樞神經系統（CNS）進行交互并促進神經可塑性的技術，有助于神經系統適應和恢復。這類技術旨在替代、恢復、增強、補充或改善自然神經交互，并在某些情況下，通過誘導CNS的適應性可塑性來優化交互作用。適應性神經技術的一個關鍵特點是不僅可對神經系統進行被動的操作，還能通過交互方式促進神經系統進行自我調節和適應。

主要的自適應神經技術包括：

1）BCI。直接解碼大腦信號以控制外部設備或計算機系統，通常用于替代因損傷或疾病喪失的功能。BCI技術不僅用于恢復功能，還可以增強或改善現有的神經交互作用 。

2）神經調節（Neuromodulation）技術。包括深部腦刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）、脊髓刺激和外周神經刺激等，旨在通過電或磁刺激調節神經活動，用于治療各種神經和精神疾病 。

3）神經反饋（Neurofeedback）。利用實時腦電圖（EEG）或功能性近紅外光譜（fNIRS）等反饋，幫助用戶調節大腦活動。這種技術常用于治療多動癥、抑郁癥和焦慮癥等。

4）感覺替代系統（Sensory Substitution Systems）。通過將一種感覺輸入轉換為另一種感覺信號（如將視覺信息轉化為觸覺或聽覺），幫助感覺喪失者恢復部分感知能力 。

5）神經假肢（Neuroprosthetics）。通過電極直接與神經元或神經纖維連接，控制假肢的運動或恢復感覺功能 。

這些自適應神經技術之間的共同點在于它們都通過與CNS的直接交互來影響神經功能和行為。而BCI作為一種自適應神經技術，具有獨特的優勢，即通過讀取和解碼大腦信號，提供自然CNS輸出的替代或補充。此外，自適應神經技術常常與BCI結合使用，以優化其功能并促進神經可塑性。文獻[36] [178] [280] [292]中提供了自適應神經技術相關的信息。

9.11 神經調控（Neuromodulation）

世界神經調控學會將神經調控定義為：利用植入或非植入技術的外部手段，如藥物、電刺激、磁刺激、聲刺激、光刺激或其他物理刺激來改變中樞神經、外周神經或自主神經系統活動，從而改善患病人群的癥狀，提高生命質量的生物醫學工程技術。這種技術可用于治療多種神經性疾病，通過影響神經元的興奮性或神經網絡的活動，來恢復異常的神經功能或增強正常的神經功能。神經調控技術在神經科學和臨床醫學中有著廣泛的應用，尤其在慢性疼痛、癲癇、帕金森病、抑郁癥等疾病的治療中表現出顯著的療效。神經調控與BCI是兩個不同的研究領域或方向，但二者可以交叉融合。文獻[323-326]提供了神經調控相關的信息。

9.12 神經刺激（Neurostimulation）

神經刺激（Neurostimulation）是一種通過電流、磁場或其他形式的能量直接作用于神經組織，以調節神經活動的技術手段。該技術可用于治療各種神經系統疾病，如慢性疼痛、癲癇、帕金森病和抑郁癥等。神經刺激可以通過植入裝置（如脊髓刺激器或腦深部刺激器等）或非侵入性方法（如經顱磁刺激、經顱交流/直流刺激和經顱聚焦超聲刺激等）來實現。其目的是通過調節特定神經回路的活動，改善患者的癥狀或恢復神經功能。文獻[321-322]提供了有關神經刺激的相關信息。

9.13 基于肌電的肌-機接口（Myoelectric Control Interface）

1）肌電（Electromyography, EMG）

肌電（EMG）是記錄和分析由肌肉纖維產生的電活動的技術，通過放置在皮膚表面或植入肌肉組織中的電極捕捉EMG信號，這些信號反映了運動神經元激活時，產生的動作電位通過神經末梢傳遞到肌肉纖維，從而引發肌肉收縮的過程，也反映了肌肉收縮的強度和頻率。EMG廣泛應用于醫學診斷、神經科學研究以及康復和生物力學領域，用于評估肌肉功能、檢測神經肌肉疾病、分析運動模式和控制假肢等。文獻[314-316]提供了EMG相關的信息。

2）基于肌電的肌-機接口

基于肌電的肌-機接口是一種通過肌電信號（Electromyography, EMG）來控制外部設備的系統。肌電信號是由肌肉收縮產生的電活動，這種接口通常應用于假肢控制和其他人機交互系統。用戶通過自主收縮特定的肌肉群產生肌電信號，這些信號被傳感器捕獲、放大并轉換為可用于控制設備的指令。這類接口不屬于BCI系統，因為它依賴于肌肉活動而非直接的腦信號[308-309]。

9.14 基于眼電或眼動跟蹤的眼-機接口（Electrooculography-based or Eye-tracking-based Eye-Machine Interface）

1）眼電（Electrooculography, EOG）

眼電（EOG）是通過記錄眼睛周圍產生的電信號，來測量和分析眼球運動的技術。這些電信號來源于眼睛內部的生物電位差，特別是眼球前后極之間的電勢差。當眼球運動（如眨眼和左右掃視等）時，這種電位差會發生變化，EOG可以捕捉到這些變化并將其記錄下來。EOG信號通常用于研究眼動行為、診斷眼部疾病以及作為眼-機接口（eye-machine interface）的信號來源之一。文獻[310] [317]提供了有關EOG相關的信息。

2）基于眼電或眼動跟蹤的眼-機接口

基于眼電或眼動跟蹤的眼-機接口是一種利用眼電信號（Electrooculography, EOG）或眼動跟蹤技術來控制外部設備的系統。眼電信號是由眼睛運動引起的電位變化，而眼動跟蹤技術通過監測瞳孔的移動來推斷用戶的注視方向。這些接口常用于輔助設備控制，特別是為那些無法使用肢體或語言進行控制的殘障人士。這類接口也不屬于BCI系統，因為它們主要依賴于眼睛運動而非直接的腦信號[310-311]。

第10節 結束語

本章列出了與BCI相關的術語，包括與BCI直接和緊密相關的術語、與BCI用戶相關的術語、與實用的BCI相關的術語、用于BCI的腦神經電磁信號和腦組織血氧水平記錄相關的術語、與BCI相關腦結構與功能的術語，以及與BCI相關的其他術語，這些內容有助于BCI初學者和研發人員學習。在未來，我們將補充在本章未列出的BCI相關術語。

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