脑机接口：常见四种脑电信号的采集技术

脑机接口(BCI)是可以不间断地进行通信或控制的设备。BCI检测到用户大脑活动的特定模式，这些模式反映了用户想要发送的不同信息或命令，例如拼写或更改电视频道。信号处理工具然后解码此大脑活动以识别所需的信息或命令，然后将此信息发送到输出设备。BCI是闭环系统，这意味着BCI必须实时向用户提供一些信息（希望）反映了预期的消息或命令。

任何BCI的一个显著特征是用于记录脑功能的方法。当前已经探索了许多方法，本书稍后会介绍部分。大多数现代BCI都依赖以下四种方法之一：

一、脑电图(Electroencephalography,EEG)

脑电图通过电极记录大脑的电活动，电极通常嵌入电极帽中。这种电极帽通常需要5分钟才能安装在用户身上并调节电极以获得良好的信号。脑电图系统相对便宜且便携，是BCI研究中最常见的神经影像学方法。

二、皮层脑电图（Electrocorticography, ECoG）

皮层脑电图涉及到通过外科手术将电极植入大脑表面来记录电活动。相对于EEG传感器，ECoG传感器具有更好的空间分辨率，能够准确检测脑电图电极不可见的高频脑活动。电极一旦植入，就可以准备用于BCI或其他任务，而无需在每次使用前进行准备。

三、深度电极(Depth electrode)

深度电极(Depth electrode)记录使用通过外科手术植入大脑的电极。这种方法具有类似于ECoG的吸引人的特性，但记录的是来自一小群神经元的活动。因此，这两种方法提供了大脑活动的不同图景。

四、功能磁共振成像(FunctionalMagnetic Resonance Imaging, fMRI)

功能磁共振成像不能测量电活动，而是用来测量与不同精神活动相关的大脑血流变化。而这些变化不能像上面三种方法那样用时间精度来检测。fMRI系统需要非常强大的磁场，因此要花费昂贵且不便于携带。

皮层脑电图和深度电极这两个过程需要神经外科手术植入电极。当然，只有在医学上有必要的时候才会考虑这种手术，比如在癫痫手术之前，或者对于那些沟通和控制选择很少或没有其他选择的严重残疾患者。这种神经外科手术很昂贵，对某些患者可能不可行。

当从大脑记录信号后，信号处理机制必须确定用户想要发送的信号。信号处理通常涉及许多步骤，以针对特定用户和环境定制BCI，例如找到最佳的电极位置，去除不需要的信息（例如由肌肉运动或外部设备引起的电噪声），确定最佳频率，以及选择最优分类器和分类器参数。之后，信号传输到输出设备。早期的BCI通常会将信号发送到监视器，而最近的BCI已用于控制设备，包括矫形器，轮椅，在线应用程序，娱乐系统或中风康复系统。BCI在用户进行控制的心理活动类型和相应的大脑信号方面也有所不同。大多数BCI依靠想象中的运动或视觉注意力来控制，但新的方向正在被探索和扩展。最终，每个用户的最佳BCI取决于用户的医疗状况（如有），需求，目标，偏好，使用环境和其他因素。

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