脑机接口技术及其在智能可穿戴设备的应用研究＊ 1

文/陈雪 胡沛霖 林琛尧

0 引 言

人脑作为人体最为复杂的器官，引起了研究人员的广泛关注。1924年，德国医生汉斯·贝格尔发现了脑电波，人们在观察并能够测量到脑电信号以后，就开始注意到意识是可以被转化为电子信号而读取的。随着现代科技的不断发展，大量研究开始着眼于通过合适的分析脑电信号的方法了解大脑活动，从而还原出大脑运作机制。

1 脑机接口技术

随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，脑机接口技术（brain-computer interface, BCI）逐步发展起来。脑机接口技术，是指在大脑与外部环境之间建立一种全新的、不依赖于外周神经和肌肉的交流与控制通道，通过将活的神经组织与人造设备直接连接，实现大脑与外部设备的直接交互沟通，从而达到控制机器设备，发挥监测、替代、改善/恢复、增强、补充等作用。

完整的脑机接口系统由信号采集、特征提取、特征分类和外部控制设备四部分组成。脑机接口技术的实现路径首先是通过安放在头部的电极采集大脑的信号。采集大脑信号的方式分为侵入式和非侵入式，侵入式是指测量电极直接接触大脑，以便获取高质量信号，但可能造成对大脑较大的损伤；非侵入式是不直接接触大脑，主要利用头皮电极帽、超声、核磁共振成像等技术对大脑信号进行捕获。随后进行数据处理，以提取出信号的特定特征，即“破译”脑信号，获取脑电波对意识的反应。最后通过程序语言把这些特定的特征转换为能够操作外部设备的命令，从而控制机器。

脑机接口技术的雏形，源自20世纪70年代美国的 Jacques J.Vidal 开发的基于视觉事件相关电位的脑机接口系统，该系统利用人的脑电作为控制信号，帮助患有严重运动障碍的人去控制外部设备。

20世纪80年代末至90年代末，脑机接口技术进入科学论证阶段。来自美国和欧洲的少数先驱研发了首个实时且可行的脑机接口系统，并定义了至今仍在采用的几种主要范式，如：基于运动想象的脑机接口（MI）、基于P300的脑机接口以及基于视觉诱发电位脑机接口(SSVEP)，开拓了脑机接口领域。

脑机接口技术作为脑科学和类脑智能研究的重要方向，现已上升为国家的科技战略重点，并成为未来发展的核心技术领域。目前脑机接口技术的应用仍主要集中在医学领域，但在增强正常个体感知觉、强化认知、娱乐游戏、汽车和机器人行业等非医学领域，脑机接口的应用发展也正在广泛展开相关转化与实践。

2 脑机接口技术主要应用方向

2.1 医疗健康

医疗健康领域，是脑机接口技术最初和最主要的应用领域。该领域的应用案例主要集中在“检测”“改善”“替代”与“增强”，强调输出功效，主要包括以下应用方向：

一是通过脑机接口系统，完成对人体神经系统状态的实时监控与测量，辅助医疗。例如，可应用于陷入深度昏迷等仅有微小意识状态患者的意识检测，帮助测量并评定其意识等级；对于存在视/听觉障碍的患者，亦可用于测量其神经通路状态，协助医生定位其视/听觉障碍成因。

二是基于刺激的脑机接口技术具有神经调控的功效，可用于帕金森疾病、癫痫、轻度认知障碍、阿尔茨海默病、焦虑障碍、抑郁障碍、创伤后应激障碍和强迫症等的治疗康复。例如，脑机接口技术可以从感觉运动的皮层区采集相关部位受损的中风病人的脑电信号，然后刺激失能肌肉或控制矫形器；通过脑机接口技术检测到癫痫病人大脑神经元异常放电后，可以对大脑进行相应的电刺激，抑制癫痫发作；基于运动想象的脑机接口也可用于自闭症儿童的康复训练，提升其对感觉运动皮层激活程度的自我控制能力。

三是基于视觉诱发电位脑机接口，通过脑控鼠标移动、脑控键盘输入，可作为严重运动障碍患者的辅助通信和控制方法，帮助患者与外界沟通。

此外，将芯片植入大脑，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接也是脑机接口系统未来可期的应用方向之一。

2.2 智能家居

家居系统的设计逐渐朝着智能化、便利化和以人为本发展。基于脑机接口技术的智能家居系统也越来越成为近年来国内外研究的热点。如基于运动想象的脑电控制型智能家居系统，通过头戴便携式脑电设备，采集用户想象肢体运动的脑电信号的波形图，通过计算机对这些脑电信号进行区分，去除伪迹成分，将分类结果转换为控制命令，进行智能家居的控制。再如，利用使用者对小概率出现的刺激诱发的 P300 电位来进行智能家居的控制，实现对家用电器的控制，甚至实现对家庭机器人的控制。

2.3 娱乐

脑机接口技术主要通过为传统休闲娱乐产品提供附加值和新卖点、为消费者接触新兴脑科技提供触点，在娱乐领域展开补充功能。这些功能的实现为玩家提供了独立于传统控制方式之外的新的操作维度，丰富了娱乐内涵、提升了用户体验。

2.4 军事

在军事方面，脑机接口技术可以协助操控各类无人装备，代替战士深入危险地区执行任务；借助脑机接口技术进行更高效、更保密的军事通信，提高作战人员的认知能力；脑控武器是军事武器自动化、智能化的重要发展方向，通过脑控和手控相结合，发挥士兵个体控制的最大潜能，是提升单兵作战能力的最有效手段之一；另外，还可以将芯片植入动物侦察兵大脑，由人类远程控制其行动和侦察路线，扩大侦察范围和时间等。

2.5 其他

脑机接口技术在其他方向的应用主要针对健康人群的“增强”和“补充”，实现机能的扩展。例如，澳大利亚的 SmartCap 公司通过在棒球帽内植入电极，可以实时监测用户的疲劳状态，将该功能应用于驾驶状态监测，可以有效降低由于疲劳驾驶而发生交通事故的概率。在教育领域，脑机接口技术可对学生注意力表现实时探测，从而帮助教师及时了解课堂情况，实现高效教学；帮助有注意力缺陷的多动症患者以及正常儿童或成人提升专注力、记忆力和情绪压力调节能力。在市场营销领域，脑机接口技术可用于评价观看广告、电影和电视等媒体内容的观众情绪体验，帮助评估与提升人机交互情景下的用户体验程度。

3 智能可穿戴设备的发展趋势

智能可穿戴设备是指可直接穿在身上或整合到服饰、配件中，且可以通过软件支持和云端进行数据交互的设备，包括智能手环、智能手表、智能眼镜等。其中以智能手环、智能手表、智能眼镜最为常见，三者占据全球可穿戴设备出货量的70%以上。智能可穿戴设备技术不断发展，以及5G 网络的空前发展，将给智能可穿戴运动设备带来新的发展机遇，未来将有广阔的前景。目前智能可穿戴运动设备主要应用场景有如下方面。

3.1 基础可穿戴设备

这类智能可穿戴设备通常通过低功耗蓝牙连接网络并进行通信，以实现处理无线通信，还可处理部分应用任务，如用户界面、操作系统和健身或健康算法的处理。

3.2 智能手环/手表

智能手表是手机屏幕的延展，不仅拥有可自定义的个性化表盘，同时还肩负着人体健康监测的功能，能够显示消息通知、进行移动支付、与智能家居联动等。智能手环可以看作是精简版的智能手表，屏幕更小、功能和配置减少，保留一定的健康监测功能，具备基础的操作交互、震动提醒、健康监测等功能。

在各种手表与手环类产品中，各种健康监测类功能，如运动分析、卡路里消耗、睡眠跟踪、血氧饱和度、心率和心率变异性监测等等已经非常成熟，被广泛应用。未来产品将走向差异化路线，品牌厂商会相继持续推出集成更多健康监测类功能的手表和手环，包括但不限于光电容积脉搏波描记、心电图、皮肤电活动、身体成分、体脂分析、情绪追踪、连续血压监测等等。

3.3 智能耳机

以真正无线立体声耳机（true wireless stereo，TWS）为代表，在外部完全摒弃了线材连接的方式，主要通过蓝牙技术实现无线传输。TWS耳机与传统蓝牙耳机最大的不同在于，体积小巧、左右耳均内置独立音频主控芯片、可以单独连接使用，左右耳无缝切换、两只耳机共同使用有立体声效果。

在技术创新方面，智能耳机亟待解决的技术依次为：智能自适应降噪、人工智能（AI）通话降噪、实时记录/翻译功能、语音互动、健康检测、空间音频/环绕立体音、快速充电、语音助手、无线充电等等。此外，未来的耳机需要尝试把更多智能的、人机交互的应用和功能加上去，例如温度传感器测温、测体质数据等，提供生物识别或健康监测功能；还可以添加人工智能用于机器学习，使耳机能够识别不同的环境，以自动分类和调音，以实现助听、实时翻译等功能。

3.4 智能眼镜

目前的智能眼镜市场，主要是通过把智能音频与眼镜的形态相结合，使之兼具两者的功能，既能够用于时尚装饰，又具备了开放式的音频使用体验。随着技术的不断发展，智能音频眼镜未来将逐渐与视觉技术进行联动，实现增强现实的部分功能，可以将人对外界的视觉、听觉封闭，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉，增强沉浸式用户体验，提供更丰富的应用。此外，智能眼镜还可以用于监控用户的警觉性，实时监测用户的疲劳状态，应用于驾驶状态监测。

综上，对于智能可穿戴产品，人们总是在追求更小体积、续航更强以及更舒适、更便利。未来智能可穿戴设备将朝着以下发展趋势不断发力：

一是功能向全能型和专用型发展。智能可穿戴设备功能从运动监测到短信和电话提醒，从游戏、在线教育到全方位健康检测等，满足用户多方面需求的同时，兼顾部分细分市场，针对特定作业环境、专项运动以及特定疾病监控，开发精准专用、价格低廉的产品。

二是健康医疗穿戴设备将成为主流。基于可穿戴设备，实现对人体健康的全方位监测，甚至达到治疗某些疾病的目的，对缓解医疗纠纷，有效配置短缺的医疗资源极具重要意义。

三是可穿戴设备将向着精美、时尚、奢华等装饰方向发展，产品应用场景和范围不断拓宽，产品更具个性化。

4 脑机接口技术在智能可穿戴设备的应用研究

4.1 医疗健康

将脑机接口技术应用于可穿戴设备，实现对人体健康的全面检测，为用户健康保驾护航，还可以辅助康复治疗等。例如，由佐治亚理工学院等多个机构研究团队将无线软头皮电子和虚拟现实结合在一个BMI计算器系统中，以实现改善运动功能障碍或瘫痪患者的生活质量；Cognixion公司最新研发的一款设备，将增强现实（AR）与脑机接口结合起来，帮助患有复杂沟通障碍的人进行流畅沟通。将基于刺激的脑机接口技术用于可穿戴设备，可广泛用于帕金森疾病、癫痫、轻度认知障碍、阿尔茨海默病、自闭症、焦虑障碍、抑郁障碍、创伤后应激障碍和强迫症等疾病的治疗康复。

4.2 生活娱乐

随着各种新材料开发、设计元素不断创新，脑机接口技术也应用于日常生活、健身、运动游戏等。如通过基于刺激P300或者基于想象运动的脑机接口技术，实现对智能家居的远程操控，如电灯、窗帘以及热水器的开关；在健身或体育锻炼中佩戴融入脑机接口技术的“神经刺激器”，目前该产品已被美国运动员应用于奥运会比赛中；也可以成为未来AR/虚拟现实（VR）的一种交互方式。当前，生活娱乐用品的发展已经呈现出高度的科技化，脑机接口技术及基于云计算的大数据处理技术的发展也为可穿戴式智能设备提供了更为丰富的技术支持，具有巨大的应用潜力。

4.3 教育培训

通过脑机接口技术与可穿戴设备的结合，实时检测学生专注力，帮助教师及时掌握课堂动向。通过佩戴智能可穿戴设备，并通过独有的脑电波检测技术，高精度地捕获用户脑电信号，检测并判断学生的专注力情况，与桌面端软件、教材等配合，让学生专注力更集中。

5 结语

要实现穿戴设备的真正智能化，仍面临着一系列挑战。一是脑电信号会受到年龄差异、个体差异、情绪、外界刺激等多种因素影响，如何将这些影响脑电波的因素纳入考虑，使得脑机接口控制系统能更广泛地被各种人群使用，还需要进一步探讨。

二是现阶段脑电数据的处理一般都需要通过计算机来完成，使得整套设备缺乏便携性，如何让便携式处理器来进行脑电的信号处理、指令传递、输出控制信号，从而提高脑机接口控制系统的便携性，也是具有挑战性和有价值的研究。

三是大多数基于脑机接口的智能可穿戴设备只采用单一种类的脑电信号，如何利用多种脑电信号设计出对应多个智能动作的操作系统，并保证能正确识别、提取和分类脑电信号，转换为相应的设备控制命令，也是一项重大挑战。

四是脑电信号对噪声敏感，且用户在使用之前需要进行大量的训练，如何提高脑电识别的精度，通过参数的自我调节来消除系统的差异性，增强自适应，使得不同使用者在不同的环境下能够减少训练时间，扩大使用范围，也是有一项十分有价值的研究。

脑机接口技术正强有力地推动社会的发展，如今已是各个国家科技竞争的战略高地。我国已经在脑机制的基础研究、脑疾病的早期诊断与干预、类脑智能器件这3个领域取得了若干国际领先成果，为脑机接口的发展和更广泛的应用奠定了基础和技术支撑。脑机接口技术在智能可穿戴设备中应用仍存在许多待解决问题，需要多个学科的研究人员共同合作，提高精确性、便携性、实用性，造福更多需求者。