模式识别与人工智能杂志-《人工智能》2021年第6期封面主题研究报告

《人工智能》杂志由工业和信息化部主管，中国电子信息产业发展研究院、赛迪工业和信息化研究院（集团）有限公司主办（CN 10-1530/TP，ISSN 2096-5036），双月刊，每期重点围绕一个主题，收录业界专家学者的观点见解和研究成果。《人工智能》2021年第6期封面主题是：脑机接口——探索人机交互新模态。

2021年第6期内容

# 本期执行编委 #

高小榕

清华大学医学院生物医学工程系教授、博士生导师，博士。主要研究方向为生物医学信号处理。提出并实现了基于稳态视觉诱发电位的脑机接口技术，通信速率在非植入型方面处于世界领先水平，已成为脑机接口主要范式。发表论文百余篇，Google学术检索引用次数超12000次，2014—2020年连续七年入选爱思唯尔中国高被引学者榜。

潘 纲

浙江大学计算机学院教授，计算机辅助设计与图形学国家重点实验室副主任，国家杰出青年基金获得者，中国人工智能学会常务理事、脑机融合专委会主任委员，中国计算机学会普适计算专委会副主任委员，中国自动化学会机器人智能专委会副主任委员。研究方向为脑机接口、类脑计算、人工智能等，指导学生获多项国际会议最佳论文奖、最佳论文提名奖、时间考验论文奖等，担任《IEEE Trans. NNLS》《IEEE Trans. Cybernetics》等期刊编委。

# 栏目一：综述分析 #

基于脑电的脑机接口技术在医学领域中的应用

□文/陈小刚1， 陈菁菁2，刘冰川3，高小榕3*

(1.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192；2. 清华大学社会科学学院心理学系，北京 100084；3. 清华大学医学院生物医学工程系，北京 100084）

摘要：脑机接口能够在大脑与外部设备之间建立直接的交流通道。随着脑科学的深入研究和人工智能技术的迅猛发展，脑机接口得到了长足的进步。基于头皮脑电的脑机接口由于具有对人体无创伤、成本低廉且便携性较好等优点，在多种应用场景中广受关注。本文从脑信号产生、获取和解码三方面引入，介绍基于脑电的脑机接口技术，阐述脑机接口技术在医学领域的应用现状。考虑到尽管脑机接口进展迅速，但目前仍处于发展、成长阶段，本文将探讨该项技术在医学领域中的挑战与可能解决方案，以增进对基于脑电的脑机接口技术的了解和认知。

关键词：脑机接口；脑电；交流；临床应用

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.001

应用于脑机接口的便捷式头皮电极

□文/吴晓婷1,2，裴为华1,2*，王毅军1,2，陈弘达1,2

(1.中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室，北京 100083；2. 中国科学院大学，北京100049）

摘要：脑电信号幅度弱、频率低，容易受环境及其他内源性电生理信号干扰。电极作为头皮脑电记录的首要关键器件，其性能的好坏，直接影响着脑机接口技术的发展。随着脑机接口技术逐渐走向成熟，在实验室中使用的传统湿电极尽管信号质量好，但佩戴和安放需要专业人员操作，使用后的设备需要清洗和晾晒等维护，大大限制了脑机接口技术的发展和推广应用。为配合满足应用场景下脑电采集的应用需求，脑机接口用电极器件需要在电学性能、佩戴舒适度和使用便捷性三个方面满足要求。同时，脑电电极的设计和制备，要满足头皮有发区域的脑电采集。本文综述了近年来用于头皮脑电记录的便捷式电极器件及其固定头戴的研究进展，分析了不同电极方案的技术特点，对用于脑机接口中电极及脑电帽的发展进行了总结和展望。

关键词：头皮脑电电极；便捷式电极；脑机接口；

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.002

脑机接口信号处理的研究进展

□文/赵地1，卜刚2

（1.中国科学院计算技术研究所 北京100094；2.南京航空航天大学 南京 210016）

摘要：目前，神经电刺激领域发展较为迅速，主要应用领域是对脑部核团进行电刺激，用于治疗或缓解患者相关病症，主要调整参数方式为主观调节，医生根据患者情况进行参数调节，让患者感受相关刺激后决定是否采用该参数，存在调整不精准、不适应、不及时等情况。随着市场需求增加，通信技术发展，远程医疗逐渐能够解决程控调整的及时性问题，但更本质的解决问题的技术为闭环程控技术。

关键词：一维卷积神经网络；低功耗芯片；脑机接口；闭环刺激；信号采集与处理

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.003

脑机接口的发展挑战与趋势研判

□文/徐畅1,2，邹德宝1,2*

（1.中国电子信息产业发展研究院，北京100048；2.赛迪顾问股份有限公司，北京 100048）

摘要：通过思想控制万物仍属于科幻电影的范畴，但随着脑科学的发展，人类可以利用大脑活动产生的电信号与环境互动，影响或改变环境。脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）可使人或动物大脑与外部设备之间创建直接连接，实现脑与设备的信息交换，其技术为肢体和语言障碍者提供行走和操纵物体的辅助设备。脑机接口领域的进步将改变人类的生活方式。本文简要介绍脑机接口的发展历程，阐释脑机接口的实现过程，并准确识别出脑机接口未来挑战，同时对其发展趋势进行研判。在不久的将来，脑机接口将取得突破性进展。

关键词：脑机接口；信号处理；特征提取；脑科学；发展趋势

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.004

# 栏目二：前沿技术 #

基于精细运动想象的脑机接口技术研究进展

□文/邱爽1,2，张裕坤1,2，吴晨瑶1,2，马学林1,魏玮1，何晖光1,2,3,4

（1．中国科学院自动化研究所类脑智能研究中心，北京市 100190；2.中国科学院大学人工智能学院，北京市 100049；3.中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心，北京市 100190；4.中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室，北京 100190）

摘要：基于运动想象的脑机接口（Motor Imagery based Brain-Computer Interface，MI-BCI）对运动康复具有重大意义。然而，现有MI-BCI指令集有限，在高维精细运动控制时，运动意图与动作输出无法匹配，不利于构建反馈真实运动意图的闭环运动康复系统。近年来，精细运动想象编解码研究逐渐受到关注与重视，在范式与解码方法两方面取得了一些研究进展。范式方面，一些研究对想象单一肢体不同关节、同一关节不同自由度的动作进行了尝试；解码方法方面，传统机器学习、深度学习与基于领域自适应的迁移学习方法等被引入到了精细运动想象解码研究中。本综述讨论了基于脑电信号的精细运动想象范式与解码方法的研究进展，并展望了其未来前景，以期促进精细运动想象脑机接口技术的深入研究及未来应用。

关键词：脑机接口；脑电；精细运动想象；范式；解码

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.005

基于双谱的稳态视觉诱发电位脑机接口导联选择算法

□文/刘畅，金晶*

（华东理工大学模式识别与人工智能杂志，上海 200237）

摘要：基于稳态视觉诱发电位 (SSVEP）的脑机接口中，识别算法所用的导联通常是固定的。然而，被试间存在个体性差异，针对不同被试使用个性化导联组合有助于提升算法识别SSVEP的性能。本文提出了一种基于双谱的导联选择算法，它利用SSVEP双谱和参考信号双谱之间的欧氏距离作为度量指标，对所有导联进行排序，并使用模糊系统融合SSVEP产生区域的先验知识，自主决定是否使用个性化导联。实验结果表明，被试使用本算法选择的个性化导联组合能够实现更高的SSVEP分类准确率和信息传输速率。

关键词：脑机接口；稳态视觉诱发电位；导联选择

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.006

基于贝叶斯推断的脑源定位估计技术及应用

□文/刘柯1，俞祝良2，吴畏2，顾正晖2，李远清2

（1.重庆邮电大学计算机科学与技术学院，重庆市 400065；2. 华南理工大学自动化科学与工程学院，广东省广州市 510641）

摘要：脑电图和脑磁图信号具有无创性和高时间分辨率，能够反映快速变化的大脑神经活动。然而，由于容积传导，脑电图和脑磁图空间分辨率较低。根据头表脑电图和脑磁图估计皮层脑源活动，即脑源定位技术，能够提供具有更高空间分辨率的信息，在认知过程基本机理理解和脑损伤病理学特征分析上发挥重要的作用。本文首先介绍脑源定位技术基本概念，然后具体介绍了基于贝叶斯概率推断的脑源定位技术，将当前的脑源定位技术分为基于空间先验约束和基于时间空间先验约束两大类，分析了不同算法的特性，接着介绍了基于贝叶斯的脑源定位技术的应用领域，最后介绍脑源定位技术的未来发展趋势。

关键词：脑电图/脑磁图；贝叶斯估计；脑源定位

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.007

面向脑卒中疾病的运动想象脑机接口技术

□文/杨帮华1,2,3*，马骏1，邱文政1

（1.上海大学脑机工程研究中心，上海市200444；2.中医智能康复教育部工程研究中心，上海市201203；3.上海智慧戒毒与康复工程技术研究中心，上海市200240）

摘要：脑卒中是一种高发病率和高致残率的疾病，目前已严重威胁人类健康。大部分脑卒中患者的并发症是不同程度的运动功能障碍。良好的康复训练是改善患者运动功能障碍的主要方法，但传统的被动式康复训练方法主要针对患者肢体训练，无法对受损的大脑运动神经中枢进行康复训练。基于人工智能和脑机接口技术的运动想象康复训练方法实现了患者主动的康复训练，直接对患者的运动神经中枢进行康复训练，这对于脑卒中的康复治疗至关重要。本文介绍了面向脑卒中疾病的运动想象康复治疗的系统原理和实现方法，分析了目前运动想象脑机接口在康复训练上存在的问题，并对未来进行了展望。

关键词：运动想象脑机接口；脑卒中；康复训练；人工智能

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.008

# 栏目三：产业应用 #

脑机接口技术的应用实践

□文/李文新，胥红来，黄肖山

（博睿康科技（常州）股份有限公司，江苏省常州市 213000）

摘要：以交叉学科研究为基础的脑机接口技术，旨在实现碳基的大脑与硅基的芯片直接进行交流通话。脑机接口技术的长远目标是用脑控交互替代现有的语音、手势等操控交互，据此可以渗透改变所有产业发展模式。但在中短期的脑机接口技术产业化落地方向上，医疗健康是目前最直接、最主要的应用领域之一，也是目前商业化程度最高、被各界资本最为看好的落地场景之一。博睿康走自主研发脑机接口产品道路，旨在掌握并提升脑机接口核心技术，打破进口垄断，更直接、高效地促进脑机接口技术落地应用，切实推进脑机接口产业健康有序地发展。

关键词：脑电；脑机接口技术；产业化；医疗健康；脑功能；意识障碍；康复诊治

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.009

人工视网膜原理、现状和关键技术

□文/韩彦1,2，孙晓安1,2，黄穗1,2，谭治平1，项丽阳1,2，王金剑1,2

（1.浙江诺尔康神经电子科技股份有限公司，浙江杭州 310000；2. 浙江省神经电子与脑机接口技术重点实验室，浙江杭州 310000）

摘要：目的：探讨人工视网膜系统的原理、现状和关键技术。方法：研究分析当前人工视网膜技术路线的优缺点，通过动物实验验证诺尔康VS-10A人工视网膜系统的可行性。结果：每只动物试验眼在术后各观察期观察结果良好，仅在术后1周内出现轻微炎症反应，之后恢复正常。结论：人工视网膜动物眼植入手术方法可行，半年随访期内安全稳定。

关键词：人工视网膜假体；神经刺激；视觉重建

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.010

# 栏目四：挑战与展望 #

基于极微弱脑电编解码技术的脑机接口前沿展望

□文/许敏鹏1,2，罗睿心1，肖晓琳1,2，明东1,2

（1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2. 天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072）

摘要：脑机接口是人机交互领域中迅速发展的新兴技术，在系统交互速率和指令集数量等方面已经取得较大突破，但现有脑机接口技术多基于高鲁棒性的脑电特征进行编解码，欠缺舒适性和交互友好性，导致目前该技术的应用场景受限且不利于用户进行多线程作业，限制了脑机接口技术走向实际应用。面向脑机交互过程中的实际应用需求，需要开发基于极微弱脑电的编解码技术，挖掘蕴含更深层、更复杂大脑信息的脑电特征。为此，一方面需设计提升用户体验的极微弱刺激编码范式，一方面需研发提高极微弱特征识别精度的解码算法，实现更加实用化、人性化的新型脑机接口系统。本文对基于极微弱脑电编解码技术的相关研究进行了回顾和总结，并对该技术的未来发展趋势进行了展望。

关键词：脑机接口；极微弱脑电；编解码技术

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.011

# 栏目五：探索与创新 #

基于脑机交互的未来混合智能系统设计与实现

□文/ 唐景昇，郭瑞斌，代维，周宗潭

（ 中国人民解放军国防科技大学智能科学学院，湖南省长沙市 410073）

摘要：人机混合智能是一种发挥人和机器各自优势，将两者结合起来形成优势互补的一种智能。实现人机混合智能的关键之一是如何将人的智能和机的智能有机结合起来模式识别与人工智能杂志，而脑机交互技术提供了一种可能的途径。本文首先辨析了人机混合智能的内涵以及脑机交互在人机混合系统中可能发挥的作用，进而介绍了我们面向军事应用场景构建的人机混合智能头盔系统，其目标是为地面作战人员提供信息与决策辅助。该系统基于脑机交互与人工智能实现了人与机之间高效的智能交互与默契的人机协同，有望在未来的军事应用中发挥作用。

关键词：脑机交互；混合智能；人机混合智能头盔系统

DOI：10.16453/j.cnki.ISSN2096-5036.2021.06.012

期刊在线阅读

扫描二维码查看《人工智能》2021年第6期电子期刊（节选）。

期刊在线投稿

百度搜索“人工智能杂志”“人工智能期刊”点击“在线投稿”，或者点击进入官方网站选择“作者投稿系统”在线投稿；亦可复制本文文末“阅读原文”中的链接，粘贴至浏览器，访问投稿系统。（为保证使用体验，请使用PC端访问）