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導(dǎo) 讀

無論是侵入式還是非侵入式腦機(jī)接口，其重要組件通常包括信號(hào)采集、神經(jīng)編解碼、控制外設(shè)等模塊。硬件包括腦電采集設(shè)備 (電極、探針等)、腦機(jī)接口芯片、神經(jīng)刺激設(shè)備、外設(shè)機(jī)械控制等; 軟件包括控制軟件、數(shù)據(jù)分析算法、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。本篇主要對(duì)腦機(jī)接口的信號(hào)采集技術(shù)進(jìn)行整理介紹。

根據(jù)腦電采集過程對(duì)大腦的侵入程度，腦機(jī)接口可分為侵入式、非侵入式與半侵入式。

侵入式腦機(jī)接口使神經(jīng)信號(hào)感應(yīng)器直接與人腦組織接觸，一般需通過手術(shù)方式將電極植入大腦，該方式可采集到高質(zhì)量的腦電信號(hào)，具有細(xì)胞水平的空間分辨率和時(shí)間分辨率，信噪比高，易于信號(hào)處理。但手術(shù)植入電極的過程，腦補(bǔ)創(chuàng)傷大，容易造成感染和術(shù)后并發(fā)癥，電極后期的維護(hù)也較困難。侵入式電極有剛性和柔性兩種，剛性電極如腦電極芯片，容易造成組織挫傷；柔性電極如腦電極薄膜，很容易貼合腦組織細(xì)胞。

半侵入式腦機(jī)接口是將電極放置于顱骨之下，在大腦皮層之上，一般也需要通過手術(shù)方式置入電極，但該方式與侵入式腦電極置入相比，創(chuàng)口較小，對(duì)大腦的損傷降低，易于人們接受。半侵入式腦機(jī)接口基于腦皮層表面記錄腦電信號(hào)，主要采集皮層腦電圖(ECoG)，其信號(hào)質(zhì)量和介于侵入式和非侵入式之間，信號(hào)信噪比較好，可利用性高。

非侵入式腦機(jī)接口一般佩戴在人體頭部周圍，如頭皮、額頭、耳部、眼睛周圍等，直接從頭皮采集信號(hào)，需要采集電極與頭皮緊密貼合。由于顱骨和頭皮的屏蔽作用導(dǎo)致所采集腦電信號(hào)質(zhì)量不高，信噪比小，后期處理較困難。但該方式無需手術(shù)、安全性高、成本低、使用便捷，是目前研究廣泛的腦機(jī)接口類型。

 非侵入式腦電極

腦電電極是用來傳遞或記錄腦部電勢(shì)分布及變化的傳感器。電極類型總的來說主要分為濕電極、干電極和半干式電極這三類。

干電極——傳統(tǒng)的無創(chuàng)腦電采集系統(tǒng)，腦電帽形態(tài)，需要在每個(gè)電極上抹導(dǎo)電膏，使用與維護(hù)都很麻煩；

濕電極——使用簡(jiǎn)單，相比于干電極其阻抗較低，信號(hào)質(zhì)量較高；

半干電極——介于干電極與濕電極之間，使用時(shí)加入導(dǎo)電的濕介質(zhì)，但是存在介質(zhì)蒸發(fā)較快，使用較為復(fù)雜等問題。

 侵入式腦電極

侵入式腦電電極，核心指標(biāo)為通道數(shù)量、密度、采樣率與安全性；

通道數(shù)量：人腦中共有860億個(gè)神經(jīng)元，估算10萬能很好呈現(xiàn)現(xiàn)在已知的腦相關(guān)疾病和生理功能，當(dāng)前能測(cè)量的在1,000-3,000；大腦是集群工作而非垂直工作，局部測(cè)量不能定義。

密度：不同腦信號(hào)源的空間分辨率不一樣，空間分辨率越高，信號(hào)采集的精準(zhǔn)度越高，越有利于后續(xù)進(jìn)行信號(hào)分析與解碼；如EEG信號(hào)的空間分辨率約為10mm，ECoG信號(hào)的空間分辨率約為1mm，LFP信號(hào)的空間分辨率約為0.5mm。

采樣率：主要反映的是信號(hào)的時(shí)間分辨率，腦組織的神經(jīng)電信號(hào)的時(shí)間分辨率約為3ms，對(duì)應(yīng)ADC采樣頻率（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的速率）為333Hz，目前的ADC采樣頻率基本都能達(dá)到這個(gè)水平。

安全性：保證動(dòng)物或人體受試者的腦組織安全，以保證信號(hào)拾取采集的完整性和準(zhǔn)確性，以及長(zhǎng)期采集信號(hào)的有效性。

目前侵入式的腦電電極技術(shù)種類繁多，也有一些獲得了FDA批準(zhǔn)的產(chǎn)品，按照使用方式可分為刺入式、表面貼附式兩類。

電極性能要求1：

基本要求：高質(zhì)量記錄神經(jīng)信號(hào)的能力；

必要條件：長(zhǎng)時(shí)間記錄時(shí)保持穩(wěn)定的能力；

關(guān)鍵：高通量高密度記錄能力；

擴(kuò)展要求：多模態(tài)記錄/刺激和多區(qū)域應(yīng)用的能力；