腦-機介面（Brain-Computer Interface，BCI） 顧名思義就是在腦與機器之間建立連接的系統，也叫作BMI（Brain-Machine Interface）。通過在頭皮上，大腦表面上或大腦內的感測器檢測電場或磁場、血紅蛋白氧合或參數來進行量化。

BCI的主要應用主要有以下幾點：

（1） 替代——BCI的輸出可能取代由於損傷或疾病而喪失自然輸出。如喪失說話能力的人通過BCI輸出文字，通過語音合成器發聲。

（2） 恢復——BCI的輸出可以恢復喪失的功能。如脊髓受損導致肢體癱瘓，可以通過BCI輸出控制電刺激設備，電刺激設備再刺激癱瘓的肌肉從而使肢體活動。

（3） 增強——主要是針對健康人而言，實現機能的擴展。如對疲勞駕駛的司機而言，BCI檢測到司機的注意力下降時提供一個反饋（如聲音或震動）來提醒司機恢復注意力。

（4） 補充——如對於控制領域而言，除了手控的方法之外還可以增加腦控方式，實現多模態控制，這裡BCI作為原來單一控制方法的補充。

（5） 改善——例如針對康復領域，對於感覺運動皮層相關部位受損的中風病人，BCI可以從受損的皮層區採集信號，然後刺激肌肉或控制矯形器，改善手臂運動。

常見的BCI一般是用腦電設備來實現的，除此之外也有用功能近紅外光譜（FNIRS）和功能核磁共振成像（FMIR）搭建的BCI系統，下面分別做個簡單的介紹。

1. 基於腦電的BCI系統也分為頭皮腦電（EEG）、皮層腦電（ECoG）

1.1. 常見的EEG-BCI系統主要包括：P300、運動想像（MI）和穩態視覺誘發電位（SSVEP）。

1.1.1. 基於P300的BCI系統

P300是一個正向偏移成分，它發生在特定情況下呈現的刺激後頭皮記錄的EEG中。P300通常在中央頂頭皮最大，隨著距這個腦區距離的增加而逐漸衰減。

誘發P300事件相關電位（ERP）的特定事件稱為oddball範式（小概率刺激範式），事件發生的概率越小，P300的峯值越高。一般的P300範式有聽覺P300和視覺P300，目前應用較多的是視覺P300範式，如下圖。刺激界面的行列按隨機順序閃爍，要求受試者注視待選目標，並記錄目標閃爍的次數（小概率刺激）。當目標閃爍的時候，會檢測到受試者的P300信號，經過幾次疊加最終輸出該目標。該目標可以換成BCI系統的一個控制指令。

P300-BCI的主要優點是無創，被試只需要比較少的訓練就可使用，可以提供通訊和控制功能，系統穩定可靠，因此P300-BCI是最適合嚴重殘疾患者獨立長期在家庭環境下使用的BCI系統。

侷限性：由於P300本身是ERP的一種，需要幾次疊加才能獲得可探測的P300，這就決定了P300-BCI系統本身的信息傳輸率較低，所以幾乎所有的P300-BCI研究的核心目標都是提高系統的速度、精度、能力和臨牀實用性。同時P300-BCI需要依賴刺激源，屬於依賴性BCI系統。

1.1.2. 基於感覺運動節律（SMR）的BCI系統

基於感覺運動節律（Sensorimotor rhythms ,SMR）的 BCI系統已經發展多年，其原理是肢體運動的執行和想像會影響大腦感覺運動皮層記錄的節律活動的變化。這些感覺運動節律的增加和減少分別叫做事件相關同步（ERS）和事件相關去同步（ERD），這些變化通常是侷限於軀體特定區域的。

與運動想像（MI）相關的SMR變化可以作為BCI控制的有效信號，一般開發MI-BCI系統需要考慮頻率分析、空間濾波、選擇合適的分類演算法等，還要去除腦電中的偽跡。

MI-BCI系統的分類：EEG信號的某些特徵頻段會出現ERD或ERS現象。前者代表運動功能區的激活，後者代表運動功能區的「空載」狀態。對於左右手的想像動作，與手對應的大腦運動區有明顯對側佔優特徵；與腳部想像動作對應的激活腦區則常在頂部Cz位置，而此時頂部偏左的C3和頂部偏右C4位置所對應腦區則很少被激活，多處於「空載」狀態。根據這些特徵可以轉化成輸出指令，用於BCI系統的控制。

MI-BCI的最大優點在於其 BCI 控制信號產生於大腦動作意圖是一種內源性誘發腦電， 故無需特定外界刺激；但仍要較多訓練體驗，且個體差異性比較大，分類正確率也有待提高。

1.1.3. 基於穩態視覺誘發電位（SSVEP）的BCI系統

穩態視覺誘發電位是由快速重複刺激誘發的腦電的穩定震蕩，一般的刺激源有閃光燈、發光二極體和顯示器的棋盤格模式。目前的刺激源多用顯示器呈現。

標準的SSVEP-BCI的刺激界面中，受試者會看到視野中不同的目標以不同的頻率閃爍（例如顯示器上有多個不同的目標），如下圖。

連續的刺激呈現誘發腦電產生穩態的響應，一般通過頻率分析方法來分析。頻率分析通常顯示刺激頻率基頻和倍頻處的響應峯值。如下圖，刺激頻率為14Hz，腦電的頻域成分包含14、28和42Hz的成分。

SSVEP刺激的視覺區位於枕區，實驗正常的流程是受試者的枕區位置（0z、O1、O2等）貼有電極，受試者看到某一目標以一定的頻率閃爍，該目標代表了BCI系統的一個輸出指令。BCI系統計算枕區EEG的頻譜，根據頻譜的峯值匹配每個目標的刺激頻率，再將那個刺激頻率的目標輸出。由於有倍頻效應，因此目標的刺激頻段要選好，在保證頻段較長（這樣指令可以更多）的情況下避免倍頻的幹擾。

SSVEP的優點是信息傳輸率高，輸出指令多，被試只需要比較少的訓練就可使用；缺點是需要依賴刺激源，同時注視太久容易引發視覺疲勞。

除此以外，還有混合BCI系統，也是基於上述三種BCI的變式，比如用想像左手運動的感覺運動節律去開啟一個SSVEP-BCI系統等等，這裡不做贅述。

1.2. 基於皮層腦電（ECoG）的BCI系統

EEG-BCI屬於非侵入式腦-機介面，皮層腦電（ECoG）就屬於侵入式的範疇了。皮層腦電可以通過放置電極於硬腦膜或用螺釘穿透顱骨並將其作為電極，從硬腦膜的表面得到；或者將電極直接放置於大腦的表面，從硬腦膜下面記錄得到。ECoG和EEG一樣屬於場電位，但在信號質量、抗偽跡和解析度上都優於EEG。因此若不考慮倫理因素，它的應用形式可以與EEG基本一致，但是效果比EEG更好。

我們測量得到的EEG信號可以認為就是ECoG信號經過顱骨、腦脊液最後彌散到頭皮上的，因此ECoG的信號先天性的就優於EEG信號。二者的關係類似於：一個是直接摸著胸口測心跳，一個是隔著襯衣毛衣再套一件羽絨服再摸著胸口測心跳。與EEG相比，ECoG的優勢有以下幾點：

1) 更高的空間解析度——EcoG為毫米級的定位精度，而EEG是釐米級；

2) 更大的信號幅度——ECoG是50~100微伏，EEG是10~20微伏；

3) EcoG不易受到偽跡的影響——例如眼電和肌電等；

4) 更寬的帶寬——EcoG為0~500Hz，EEG為0~40Hz。

EcoG因為是有創的，多用在動物研究，目前對人的研究僅限於那些植入EcoG電極準備做大腦手術的人（通常是切除癲癇病竈或腦腫瘤等）。這裡對基於動物的腦機介面研究不做贅述。

目前EcoG-BCI的侷限性主要有三點：一是現實中植入EcoG電極的受試者幾乎全是腦部患病的病人，對這樣的受試者而言，其臨牀需要優先於研究興趣，而且其認知能力、參與的積極性和測試的狀態都與科研的受試者不同；同時病房內的空間限制和其他信號幹擾等也是EcoG-BCI系統的幹擾因素。二是EcoG相比單個神經元的動作電位仍是低空間解析度的信號，這樣的解析度對BCI系統性能的提升到底有多大的影響，我們目前無法得知。三是植入的電極需要考慮生物相容性和較高的性能，同時要保持長久的使用壽命——為了能夠高效安全的運行多年，這樣的系統目前尚未開發出來。

歇會接著寫。。。。。

推薦閱讀：