本文讨论了如何利用消费级设备和稳态视觉诱发电位构建脑机接口。为此，将采用干电极的单通道脑电图仪与用于刺激呈现和输出数据可视化的增强现实眼镜相结合。最终系统具有非侵入性、可穿戴性和便携性。
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本文内容
摘要
摘要
本研究重点介绍如何构建一种可穿戴式脑机接口（BCI）。脑机接口是一种新型的人机交互方式，通过直接测量脑信号，既可辅助残障人士，也可用于健康个体。其应用实例包括机器人控制、工业检测和神经康复等。值得注意的是，近期研究表明，稳态视觉诱发电位（SSVEPs）特别适用于通信与控制类应用，目前正致力于将脑机接口技术引入日常生活。为实现这一目标，最终系统必须依赖于可穿戴、便携且低成本的设备。在利用SSVEPs时，需要使用具有固定频率的闪烁视觉刺激。因此，本研究结合日常生活中的实际限制，探索了通过智能眼镜提供视觉刺激的可能性。此外，为检测诱发的电位信号，选用了商用脑电图（EEG）设备。该设备包含一个单差分通道和干电极（无需导电凝胶），从而实现了最大程度的可穿戴性与便携性。在此类脑机接口中，用户仅需注视显示屏上的图标，即可与智能眼镜进行交互。基于这一简单原理，通过将扩展现实（XR）眼镜与市售EEG设备集成，构建出一种用户友好、低成本的脑机接口系统。该可穿戴式XR-BCI系统的功能通过一项包含20名受试者的实验研究进行了验证。根据刺激时间的不同，分类准确率平均在80%至95%之间。基于这些结果，该系统既可用作工业检测中的人机接口，也可用于注意缺陷多动障碍（ADHD）和自闭症的康复治疗。
引言
脑机接口（BCI）是一种无需依赖天然神经通路即可实现与设备通信和/或控制的系统1。从技术角度看，该系统通过测量受试者产生（可为自主或非自主）的诱发或诱发电脑活动来实现运行2。脑机接口技术是人类目前最接近仅凭思维力量控制物体的技术。历史上，相关研究主要聚焦于通过脑机接口辅助运动功能障碍患者3，但如今越来越多的公司提供基于脑机接口的仪器，应用于游戏4、机器人5、工业6以及其他涉及人机交互的领域。值得注意的是，脑机接口可能在第四次工业革命（即工业4.07）中发挥重要作用，其中信息物理生产系统正在改变人类与周围环境之间的交互方式8。总体而言，欧洲BNCI Horizon 2020项目确定了若干应用场景，包括替代、恢复、改善、增强或补充中枢神经系统丧失的自然功能，以及利用脑机接口开展脑科学研究9。
在此框架下，近期的技术进步意味着脑机接口可能适用于日常生活应用10,
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方案
本研究获得了意大利那不勒斯费德里科二世大学人文学部心理学研究伦理委员会的批准。志愿者在参与实验前均签署了知情同意书。
1. 准备非侵入式可穿戴脑-机接口
- 获取一款低成本的消费级干电极脑电图仪，并将其配置为单通道使用。
- 将低成本脑电图仪上任何未使用的输入通道按照其固有数据手册的规定短路或连接至内部参考电压。通过这种方式，未使用的通道将被禁用，从而不会产生串扰噪声。
- 调节脑电图仪的增益（通常通过可变电阻组件），使输入范围处于100 µV量级。
注意：待测量的脑电（EEG）信号幅值约为数十微伏。然而，干电极受运动伪迹影响显著，由于电极-皮肤阻抗的波动，可能产生幅值达100 µV量级的振荡。增大输入电压范围有助于限制脑电放大器的饱和，但无法完全消除饱和现象。另一方面，进一步增大输入电压范围并不理想，因为这将影响对目标脑电信号成分进行测量时的电压分辨率。最终，必须结合脑电图设备电路板内模数转换器的位分辨率，综合权衡上述两个方面。 - 准备三个干电极用于连接至脑电图仪电路板。参考电极应使用无源电极（无前置放大功能），其余两个测量电极应为有源电极（即具备前置放大及最终的模拟滤波功能）。
注意：在毛发覆盖的头皮区域放置电极时，需使用针状电极以克服电极与皮肤之间的接触阻抗。如有可能，建议焊接带扁平头部的银针（以减少使用者的疼痛感），或理想情况....
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结果
上述系统的一种可能实现方式如图1所示；该实现方式允许用户通过增强现实技术浏览大脑活动。智能眼镜显示屏上闪烁的图标对应于应用程序的操作指令（图1A），因此，这种眼镜可替代基于按钮操作或触摸板的传统交互界面。此类交互的有效性严格依赖于对闪烁刺激所诱发的脑电位进行成功分类。为实现这一目标，首先对系统进行了计量学表征18，随后开展了涉及人类使用者的实验验证。
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讨论
系统的正常运行涉及两个关键方面：稳态视觉诱发电位（SSVEP）的诱发与信号采集。除了本研究中选用的特定设备外，SSVEP也可通过其他能够提供闪烁光源的设备来诱发，但为确保可穿戴性和便携性，优先推荐使用智能眼镜。类似地，也可考虑其他商用脑电图设备，但这些设备必须具备可穿戴性、便携性，并尽可能采用少量干电极以提升用户友好性。此外，系统还可根据易于编程的设备进行定制。另外，信号处理策略决定了系统的最终性能；尽管在所述系统设计中处理策略似乎并非关键因素，但其优化无疑将有助于提升系统在通信与控制应用中的速度与准确性10,11,19。
可以指出该系统存在的一些不足之处。实际上，对于稳态视觉诱发电位（SSVEP）的诱发，闪烁刺激需要具备较大的尺寸和稳定的闪烁频率。前者意味着安卓应用程序中的按钮可能较为庞大，从而对扩展现实场景的应用造成限制；后者则要求智能眼镜具备通常在商用设备中不具备的计量学特性。此外，即使满足.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作是ICT for Health项目的一部分，该项目由意大利教育、大学与研究部（MIUR）在“卓越部门”计划（意大利预算法第232/2016号）下提供资金支持，并通过授予意大利那不勒斯费德里科二世大学信息与电气工程系的卓越资助得以实施。该项目的实现还得益于Res4Net倡议以及IEEE仪器与测量学会TC-06（测量中的新兴技术）的支持。作者还要感谢L. Callegaro、A. Cioffi、S. Criscuolo、A. Cultrera、G. De Blasi、E. De Benedetto、L. Duraccio、E. Leone和M. Ortolano在系统开发、测试与验证过程中所做出的宝贵贡献。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带有 Ag/AgCl 涂层的导电橡胶 | ab medica s.p.a. | N/A | 替代电极 – 类型 2 |
| 耳夹电极 | OpenBCI | N/A | 耳夹 |
| EEG-AE | Olimex | N/A | 有源电极 |
| EEG-PE | Olimex | N/A | 无源电极 |
| EEG-SMT | Olimex | N/A | 低成本脑电图仪 |
| Moverio BT-200 | Epson | N/A | 智能眼镜 |
| 按扣式电极 | OpenBCI | N/A | 替代电极 – 类型 1 |
参考文献
- Wolpaw, J. R., et al. Brain-computer interface technology: A review of the first international meeting. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 8 (2), 164-173 (2000).
- Zander, T. O., Kothe, C., Jatzev, S., Gaertner, M. Enhancing human-computer interaction with input from active and passive brain-computer interfaces.
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重印与许可
