调查的大脑计算机交互

Vrushali R Pavitrakar
我出现的时候,部门的计算机工程、PVPIT印度浦那

文摘

脑机接口(BCI),通常称为机器界面(MMI),或有时被称为脑机接口(BMI),是大脑之间的直接沟通途径和外部设备。在过去的十年中,研究开始探索大脑计算机接口(BCI)技术是一种新的通信选项的人瘫痪或„锁定在。这些类型的人阻止使用传统的通信方法。在BCI, usera年代沟通渠道不依赖于周围神经和肌肉。大脑计算机接口(BCI)系统提供通信和控制功能严重残疾的人。当前BCIa年代使用脑电图扫描器活动记录在头皮或单一单元活动记录在皮层控制光标移动,选择字母或图标。BCI操作取决于两个自适应控制器之间有效互动,他或她的用户编码命令在电生理学的输入提供给BCI,和BCI识别的命令中包含在设备控制输入和表达它们。当前BCIa年代最大信息传递率做b /分钟。BCI技术取决于适当的应用程序的开发,识别适当的用户组和小心注意个人用户的需求和欲望。

关键字

大脑计算机接口(BCI),脑电图仪的(EEG),扩大的交流,转移率。

介绍

答:BCI是什么?

大脑计算机接口(BCI),通常被称为协同界面(MMI),或有时被称为脑-机接口(BMI),是大脑之间的直接沟通途径和外部设备。BCI是通信和控制系统不能在依赖于大脑正常的输出通道。用户的意图是通过大脑信号(如脑电图)而不是通过周围神经和肌肉,这意味着键盘或鼠标的依赖,这些大脑信号不为他们代取决于神经肌肉活动。此外,通信和控制系统,实时BCI建立用户和外部世界之间的交互。用户收到的反馈反映bci操作的结果,并反馈会影响用户后续的意图和其在大脑信号的表达式。例如,如果一个人使用BCI来控制机器人手臂的运动,手臂位置每次运动后可能会影响人的意图在接下来的运动和大脑信号传达意图。

b .早期历史

大脑活动产生的电信号第一次记录动物的皮质表面由理查德·卡顿(卡顿,1875年)和1875年从人类头皮汉斯伯格于1929年(伯杰,1929)。作者在75年第一次报告,电子的encephalographic (EEG)活动主要用于临床诊断和探索大脑功能。然而,在这个时期,科学家和其他人推测大脑活动的脑电图或其他措施可能使用一个完全不同的目的,他们可能会为大脑提供的另一个手段传达消息和命令外部世界。尽管正常通信和控制必然依赖于周围神经和肌肉,大脑信号如脑电图建议nonmuscular通信和控制的可能性,通过脑-机接口(BCI)。

c .最近在BCI的兴趣和活动

最近的兴趣和活动集中在四个因素。第一个因素是升值大大增加人们的需要和能力严重影响瘫痪或„闭锁运动障碍如脑瘫、脊髓损伤、脑干中风,肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)。现代生命支持技术(例如,家里通风)现在允许最严重的残疾人生存很多年了。此外,现在很清楚,即使很少或根本没有人自愿肌肉控制,这可能是完全“闭锁”自己的身体,不能以任何方式进行通信,能生活愉快和富有成效的,如果他们可以提供最低限度的通信手段和控制。第二个因素是大大增加理解脑电图和其他措施的性质和功能相关的大脑活动,了解来自动物和人类的研究。用这个新知识更好的方法来记录这些信号,在短期和长期。这个新知识和技术指导和支持BCI研究和开发。第三个因素是强大的低成本计算机硬件的可用性,使复杂的大脑活动,实时分析是必不可少的有效的BCI操作。大部分的网络信号处理用于今天好像是不可能的或昂贵的直到最近。第四个因素负责最近激增的BCI研究是引人注目的新认识,中枢神经系统(CNS)的自适应能力,在正常生活和应对损伤或疾病。 This recognition has generated great excitement and interest in the possibility of engaging these adaptive capacities to establish new interactions between brain tissue and computer-based devices, interactions that can replace or augment the brains normal neuromuscular interactions with the world.

BCI系统基本原理

“一个BCI使用大脑信号来控制一个设备或调整用户和设备之间的通信”。简单地记录和分析大脑信号的系统,不向用户提供分析结果在网上互动方式是BCI。图1显示了BCI的基本设计和操作。更受欢迎的投机和一些科学事实都是基于一些假设,好像基本上是“窃听”或“读心术”技术,设备监听的大脑,检测其意图,然后完成意图直接而不是通过肌肉。这个误解忽视中央大脑与外部世界的交互的功能:实现一个人的运动行为意图,是否在某个方向走,说某些词,或某一块玩钢琴。在早期开发和在晚年,中枢神经系统(中枢神经系统)神经元和突触不断变化获得新的行为和维护那些已经收购了。等中枢神经系统可塑性基础收购标准的技能,如运动和演讲和更多的专业技能,它响应和引导的结果。例如,肌肉力量,肢体长度,和体重变化与增长和老龄化,中枢神经系统调整输出,以保持期望的结果。

从头皮电生理信号反映大脑活动记录或在大脑和过程来测量特定信号的特性,反映了用户的意图。这些特性转换成命令操作设备如文字处理程序、轮椅等。

BCI使用取决于两个自适应控制器之间的相互作用:用户,他们必须生成大脑信号编码的目的;BCI系统,必须将这些信号转化为命令完成userA¢年代的意图。因此,BCI使用是一种技能,用户和sys - tem必须获得和维护。用户必须编码目的信号特性的BCI系统可以测量;和BCI系统必须衡量这些特性,并将其转化为设备命令。这种依赖,最初和不断的适应用户系统和系统用户的基本原则是BCI操作。

答:大脑信号可以或可能使用BCI

大脑信号记录下各种方法可能用于BCI。这些方法包括:记录的电场或磁场;功能性磁共振成像(fMRI);正电子发射断层扫描(PET);和红外(IR)成像。然而,在现实中,大多数的这些方法目前没有实际临床使用由于其复杂的技术要求,高昂费用,有限的实时功能,和/或开发的早期阶段。只有电场记录可能在未来临床应用的重要实用价值。

有许多替代记录电信号的方法;大脑活动产生的电场可以从头皮(EEG)记录,从皮质表面(ElectroCorticoGraphy活动,(EcoG)),或从大脑内(局部场电位(联赛))或神经动作电位(峰值))。这三个选择图2所示。每个记录方法有其优点和缺点。脑电图记录是容易的,非侵入性,但脑电图地形分辨率和频率范围有限。EcoG具有更好的地形分辨率和频率范围,但需要植入的皮质表面电极阵列,这还只是在短时间内完成(例如,数天或数周)。内皮层记录(或其他记录在大脑结构)提供了最高分辨率的信号,但是需要插入多个电极阵列在脑组织和脸还未解决的问题尽量减少组织损伤和疤痕,确保长期记录稳定尚未解决。

因为它使得基于脑电图b好像

因为它使得基于脑电图三种不同的好像一直在人类身上进行测试。他们在特定的脑电图特点,不同服务传达userA¢年代的意图。P300-based BCI。它使用事件相关脑电位P300成分,在EEG表现突出或大约300毫秒后参加了刺激。描述的P300 BCI系统不中国¢年代集团在快速连续闪烁字母或其他符号。用户想要的字母或符号选择产生P300电位。通过检测这种P300电位,BCI系统可以确定userA¢s的选择。这个BCI方法似乎能够支持操作的一个简单的文字处理程序允许用户写单词的速度每分钟一个或几个字母。信号分析的改善可能大幅提高其能力。同时,长期使用一个基于P300的影响在其通信性能仍有待决定:BCI P300大小和可靠性与继续使用,这样可能会改善性能改善,或P300可能适应性能恶化。

c .信号处理

BCI记录大脑信号,并对其进行处理,以生产设备命令。这个信号处理有两个阶段。第一阶段是特征提取,计算信号的特定特性的值。这些特性可能是相对简单的措施,例如振幅或延迟的潜力(例如,P300),振幅或频率的特定节奏(如传感器运动节奏)。支持有效的BCI性能、信号处理的特征提取阶段必须专注于功能编码userA¢年代的意图,并且必须尽可能准确地提取这些特征。第二阶段是一个翻译算法,将这些特性转换为设备命令。特性,比如节奏振幅或神经元活动率转化为命令,指定输出,如光标移动图标选择。翻译算法可以简单或更复杂(如神经网络。翻译算法是有效的,必须确保userA¢年代范围控制选择的特性允许选择的全套设备的命令。最后的翻译算法至少应该有能力适应,在最好的鼓励,改善userA¢年代控制。 The translation algorithm should take advantage of this improvement to increase the speed and/or precision of cursor movement control. This need for continual adaptation of the translation algorithm to accommodate spontaneous and other changes in the signal features is in accord with the fundamental principle of BCI operation (i.e., the continuing dependence on system/user and user/ system adaptation), and has important implications. First, it means that new algorithms cannot be adequately evaluated simply by offline analyses. They must also be tested online, so that the effects of their adaptive interactions with the user can be assessed. This testing should be long term as well as short term, for important adaptive interactions may develop gradually. Second, the need for continual adaptation means that simpler algorithms, for which adaptation is usually easier and more effective, have an inherent advantage. Simple algorithms (e.g., linear equations) should be abandoned for complex alternatives (e.g., neural networks) only when online as well as offline evaluations clearly show that the complex alternatives provide superior performances.

应用程序

最初BCI技术作为通信设备为残疾的或闭锁的用户。然而,研究的范围增加了包括非医疗应用程序;甚至第一个商业产品可供家庭使用。因此,游戏和人机交互等新学科进入BCI社区,和新的研究介绍。现在天还BCI帮助非医疗应用程序。以下是一些非医疗BCI的应用程序。

答:设备控制

背后的驱动力之一的发展好像是为了给用户失去了完全控制他/她的四肢访问设备和通信系统。在这种情况下,用户可以受益于一个设备即使已经有限的速度、精度和效率。健康的用户完整的肌肉控制,BCI目前不能作为竞争的控制信号由于其来源限制带宽和精度。然而,它是可能的,健康的用户也可以受益于额外的控制通道或免提控制。例子包括司机,潜水员,宇航员需要保持他们的手在方向盘,游泳,或操作设备。控制技术开发范例除了为这些应用程序,例如,语音控制。

b .用户状态监测

未来一代用户机器接口需要了解userA¢年代当前状态和userA¢年代的意图。这些未来的用户机需要实现系统收集和解释信息等心理状态情绪,注意力,工作量,疲劳,压力,和错误。另一个应用领域是使用bci在神经科学研究作为研究工具。慢相比,基于实验室的功能成像方法可以实时监控代理大脑和在现实世界中,从而有助于理解在行为任务功能网络的作用。

c .评价

评估应用程序可用于在线时尚和离线的方式。神经营销和neuroergonomics评价两个例子。Neuroergonomics有一个明确的链接到人机交互:它评估技术如何匹配人类的能力和局限性。例如最近的研究在开车时使用手机:脑成像结果表明,甚至免提声音激活使用手机一样危险的期间受酒精影响的状态下开车。在这一领域的证据主要是基于基本的神经科学研究和将受益于一个过渡到更多的应用研究。社会影响评价低;它仅仅是一个工具,增加了当前评估工具,但没有直接对解决社会问题的贡献。

d .培训和教育

正如我们所知的大多数方面训练有关的大脑及其可塑性。测量这种可塑性和大脑的变化可以帮助改善一般的训练方法和一个individualA¢年代训练计划。关于后者,学习状态和进展率等指标可用于自动化培训系统和虚拟教练。目前,这个应用领域在理论阶段有限的实验证据。

游戏和娱乐

娱乐产业通常是领先者在引入新概念,因为每个人都知道;在人机交互等消费者在家(最近的例子是3 d电影和手势的游戏控制器),最近的技术与电视虽然手势进行交互。在过去的几年中,新游戏开发专门为使用脑电图耳机的Neurosky公司Emotiv,叔叔米尔顿,MindGames,美泰。第一个应用程序的非医疗bci实际上可能是游戏/娱乐领域的第一个独立的例子来市场,2009年扩大游戏机可能很快就会跟随。按照研究的成功应用将基于状态监测和没有直接在用户控制游戏。

f .安全

脑电图单独或结合脑电图可以支持异常行为的检测和可疑对象。设想的场景一个观察者或多个观察者正在看中央电视台录音或行李扫描来检测异常可疑或犯罪行为或对象。脑电图和眼球运动可能有助于识别潜在的目标,否则可能不会注意到有意识的。图片也可以检查比正常的快得多。现在已经知道,眼睛注视以及事件相关电位脑电图反映什么是相关的,和大脑信号表明相关图片在一个快速呈现每秒50图像的图像。在这一领域的其他应用程序包括使用脑电图在测谎和人识别,但两国都面临着激烈的争论。

结论

大脑计算机接口是一个沟通和控制通道,不依赖于大脑正常输出。当前bci电生理信号记录使用非侵入性或侵入性方法。非侵入性bci使用头皮记录EEG节律或诱发电位,而入侵bci使用单一单元活动记录在皮层或脑电图记录。他们有最大的信息传递率做b /分钟和被用于控制光标移动或选择字母或图标。

像其他通信和控制系统,BCIs输入,输出,和翻译算法,前者对后者进行转换。BCI操作取决于两个自适应控制器之间的相互作用,产生的输入(即用户的大脑。,the electrophysiological activity measured by the BCI system) and the system itself, which translates that activity into output. With further increases in speed, accuracy, and range of applications, BCI technology could become applicable to larger populations and could there by engage the interest and resources of private industry.

确认

作者要感谢PVPIT研究所提供了一个机会,现在审查论文„大脑计算机交互以及评论家诉Nandedkar太太为她宝贵的支持。

引用

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