脑—机接口国内专利技术发展分析

摘 要：脑-机接口是一种涉及多学科多领域的新颖的人机接口方式，标准的脑-机接口系统可以准确、快速地采集、识别出人脑在各种思想活动下的脑电信号，在医疗、航空、军事、生活娱乐等多个领域具有潜在应用价值。该文根据脑-机接口利用的脑电信号的来源和方式不同，对其研究方法中主要三个分类即视觉诱发电位、P300电位和运动想象进行了介绍，并对各分类国内主要申请人所申请的专利进行了分析，帮助更多申请人提升对技术的理解和把握，指导专利申请走向。

关键词：脑-机接口 BCI SSVEP P300 运动想象

中图分类号：G30 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（b）-0235-01

脑-机接口（Brain Computer Interface，BCI）是近年出现的涉及众多学科、知识领域的人机接口方式，20世纪90年代年提出了脑-机接口的概念[1]：脑-机接口是一种在大脑和外部设备间建立的传递信息的通路。脑-机接口通过采集与提取大脑产生的脑电信号来识别人的思想，据此生成控制信号来完成大脑与外部设备进行信息传递与控制的目的。一个标准的脑-机接口系统可以准确、快速地采集、识别出人脑在各种思想活动下的脑电信号。

根据脑-机接口的应用种类不同，脑-机接口的系统构成有所不同，但总体上一个标准的脑-机接口系统一般由四个部分组成，即信号采集、预处理及特征提取、模式识别、控制命令输出[2]。按照不同的分类标准，脑-机接口系统可以有以下四个类别：非植入式和植入式；诱发式脑电式和自发式脑电式；同步型和异步型；依赖型和独立型。

1 专利技术分析

根据BCI利用的脑电信号的来源和利用的方式不同，其研究方法主要有下面三类。

1.1 视觉诱发电位（VEP）

视觉诱发电位（VEP）可分为稳态视觉诱发电位（SSVEP）和瞬态视觉诱发电位（TVEP）。稳态视觉诱发电位有较强的抗干扰能力，不易受到其它噪声干扰，由于得到的信噪比符合理想值，在脑机接口开发中稳态视觉诱发电位的开发非常广泛，其信息获得比率和正确识别比率都有一定的提升，而脑机接口研究中瞬态视觉诱发电位的开发则稍微少一些。

国内SSVEP-BCI以清华大学高上凯研究组为这方面工作的代表：早期专利主要是对稳态诱发响应装置基本的设置，例如：CN1248426A，该发明涉及一种基于脑电稳态诱发响应的控制装置，包括闪光刺激器，电极，脑电信号放大器和频率分析器，该发明为思维正常但有运动功能障碍的人提供一种对外界环境进行交流和控制的途径。其后对高频稳态视觉诱发脑电装置及基于左右视野两个频率刺激的稳态视觉诱发脑机接口方法都有涉及，例如CN2888524Y采用了高闪烁频率的刺激器（闪烁频率高于25 Hz），由于受试者实际上感觉不到刺激器的闪烁，因此，在使用中不会产生视觉疲劳。对稳态诱发电位的分析方法也有一定研究，例如：CN103093085A，该发明公开了一种应用于嵌入式处理器中的脑电稳态诱发电位的分析方法，该方法能够使定点嵌入式处理器实现对脑电稳态诱发电位的在线分析，基于该方法构建的嵌入式系统，对比传统的傅里叶分析方法具有更加高效和准确的优点。

1.2 P300电位

P300电位是一种与事件相关的特殊电位事件相关电位，是内源性的具有认知功能的诱发电位，测试的过程主要监测受试者心里因素等指标。同脑诱发电位EP相比较，事件相关电位ERP所获得的诱发电位是被测对象需要主动参与得到的。

国内P300-BCI以天津大学和浙江大学为这方面工作的代表：浙江大学的CN101201696A，是基于P300脑电电位的中文输入BCI系统，该发明的中文输入BCI系统可以为身体瘫痪且语言功能受损的严重残疾病患提供与他人进行交流的途径，并且对其外围功能加以延伸后可以让患者实现对计算机程序和电子机械装置的控制。这在医疗康复、医学生理实验、脑功能机制探索方面具有诸多价值。天津大学把P300用于智能化上肢康复训练器的信号处理，例如：CN101391129A，还将P300用于多模式脑电控制的智能打字；例如：CN101571747A，该发明通过计算P300的值确定选择的字母并调用函数输出该字母，主要用于无法进行肢体动作人和计算机交互。

1.3 运动想象

运动想象（Motor Imagery，MI），是指运动活动在内心反复地模拟、排练，而不伴有明显的身体活动[3]。相关研究表明，运动想象所激发的大脑感觉运动皮层区域与实际进行肢体运动时所激发的大脑感觉运动皮层区域相同[4]。

国内MI-BCI仍然以各大学为这方面工作的代表：北京师范大学的CN101897640A提供了一种新型的基于运动想象脑电控制的智能轮椅系统，目的是为那些瘫痪病患者或老年人提供一种服务性辅助运动工具，帮助他们到室外去自由活动，用于记录用户想象左右手运动任务下的脑电信号，信号处理装置是运行于笔记本电脑上的信号处理模块，提取想象运动相关的脑电特征，识别出用户的主观意图。上海海事大学的CN102789316A采用三类的运动想象控制二维光标在平面内的移动，减轻受试者想象负担，方便了受试者的使用，拓宽了BCI系统的应用领域；杭州电子科技大学的CN103971124A包括脑电信号采集、数据预处理、滤波、相位同步特征相关系数计算、特征提取和分类以及分类准确率计算，分类结果表明：采用基于相位同步的脑电信号分类方法，得到了较好的分类效果，其中基于相位同步的脑电信号的粗分类可以高效率、高准确率地确定测试样本大致所属的类别，减少计算量。

2 结语

脑-机接口为人们提供了与外界进行交流的新方式，可以直接用脑电信号进行思想的表达，可以利用脑电信号对设备进行控制，只要有思想就能行动，现阶段脑-机接口领域的专利申请量还不是很多，但越来越多的学校、研究机构等都逐渐投入到脑-机接口的研究中，该文通过对脑机接口领域专利文献的梳理，可以帮助申请人掌握该领域技术演进路线，提升对技术的理解和把握能力，指导专利申请走向，真正切实地为专利申请人提供指导和帮助。相信在不久的将来脑-机接口技术的发展必然会给人类的生活带来更多的惊喜。

参考文献

[1]高诺，鲁守银，张运楚，等.脑机接口技术的研究现状及发展趋势[J].机器人技术与应用，2008（4）：16-19.

[2]官金安，林家瑞.脑-机接口技术发展与挑战[J].中国医疗器械杂志，2004，28（3）：157-164.

[3]贾子善.运动想象疗法在脑卒中康复中的应用[J].中国康复医学杂志，2004，19（11）：867-868.

[4]Pfurtscheller G，Neuper C.Motor imaginary activates primary sensorimotor area in humans [J].Neuroseience Letters，1997，293（2）：65-68.

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