导 读

 

无论是侵入式还是非侵入式脑机接口，其重要组件通常包括信号采集、神经编解码、控制外设等模块。硬件包括脑电采集设备 (电极、探针等)、脑机接口芯片、神经刺激设备、外设机械控制等; 软件包括控制软件、数据分析算法、数据存储等。本篇主要对脑机接口的信号采集技术进行整理介绍。

 

根据脑电采集过程对大脑的侵入程度，脑机接口可分为侵入式、非侵入式与半侵入式。

 

侵入式脑机接口使神经信号感应器直接与人脑组织接触，一般需通过手术方式将电极植入大脑，该方式可采集到高质量的脑电信号，具有细胞水平的空间分辨率和时间分辨率，信噪比高，易于信号处理。但手术植入电极的过程，脑补创伤大，容易造成感染和术后并发症，电极后期的维护也较困难。侵入式电极有刚性和柔性两种，刚性电极如脑电极芯片，容易造成组织挫伤；柔性电极如脑电极薄膜，很容易贴合脑组织细胞。

半侵入式脑机接口是将电极放置于颅骨之下，在大脑皮层之上，一般也需要通过手术方式置入电极，但该方式与侵入式脑电极置入相比，创口较小，对大脑的损伤降低，易于人们接受。半侵入式脑机接口基于脑皮层表面记录脑电信号，主要采集皮层脑电图(ECoG)，其信号质量和介于侵入式和非侵入式之间，信号信噪比较好，可利用性高。

非侵入式脑机接口一般佩戴在人体头部周围，如头皮、额头、耳部、眼睛周围等，直接从头皮采集信号，需要采集电极与头皮紧密贴合。由于颅骨和头皮的屏蔽作用导致所采集脑电信号质量不高，信噪比小，后期处理较困难。但该方式无需手术、安全性高、成本低、使用便捷，是目前研究广泛的脑机接口类型。

 

 非侵入式脑电极

 

脑电电极是用来传递或记录脑部电势分布及变化的传感器。电极类型总的来说主要分为湿电极、干电极和半干式电极这三类。

 

干电极——传统的无创脑电采集系统，脑电帽形态，需要在每个电极上抹导电膏，使用与维护都很麻烦；

湿电极——使用简单，相比于干电极其阻抗较低，信号质量较高；

半干电极——介于干电极与湿电极之间，使用时加入导电的湿介质，但是存在介质蒸发较快，使用较为复杂等问题。

 

 侵入式脑电极

 

侵入式脑电电极，核心指标为通道数量、密度、采样率与安全性；

通道数量：人脑中共有860亿个神经元，估算10万能很好呈现现在已知的脑相关疾病和生理功能，当前能测量的在1,000-3,000；大脑是集群工作而非垂直工作，局部测量不能定义。

密度：不同脑信号源的空间分辨率不一样，空间分辨率越高，信号采集的精准度越高，越有利于后续进行信号分析与解码；如EEG信号的空间分辨率约为10mm，ECoG信号的空间分辨率约为1mm，LFP信号的空间分辨率约为0.5mm。

采样率：主要反映的是信号的时间分辨率，脑组织的神经电信号的时间分辨率约为3ms，对应ADC采样频率（模拟到数字转换器（ADC）对模拟信号进行采样的速率）为333Hz，目前的ADC采样频率基本都能达到这个水平。

安全性：保证动物或人体受试者的脑组织安全，以保证信号拾取采集的完整性和准确性，以及长期采集信号的有效性。

 

目前侵入式的脑电电极技术种类繁多，也有一些获得了FDA批准的产品，按照使用方式可分为刺入式、表面贴附式两类。

 

电极性能要求1：

基本要求：高质量记录神经信号的能力；

 

必要条件：长时间记录时保持稳定的能力；

 

关键：高通量高密度记录能力；

 

扩展要求：多模态记录/刺激和多区域应用的能力；

来源：和义广业创新平台

关键词： 脑机接口