中国电子技术标准化研究院:脑机接口标准化白皮书(2021版).docx
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1、脑机接口标准化白皮书(2021版)Brain-ComputerInterfaceStandardizationWhitePaper(2021)中国电子技术标准化研究院等竭制脑机接口标准化白皮书(2021版)中国电子技术标准化研究院二。二一年六月r.Ao前S脑科学以阐明脑的工作原理为目标,近年米已成为最重要的科学前沿领域之一。当前,全球脑机接口技术发展已进入第三阶段“技术和产业爆发期”。欧盟、美国、日本耗费大量人力、物力、财力开展脑机接口技术研究与应用,FaCebOok、谷歌、微软、Neuni1.ink等科技巨头公司在非侵入式“脑机语音文本界面”技术、人脑记忆功能、神经假体等脑机接口细分领域投入
2、超3亿美元,美国国防部高级研究计划局开展以控制神经元增强士兵认知和决策能力为目的下一代无外科手术神经技术项目。目前,脑机接口在军事上的应用已占全球脑机接口总应用的25%。世界主要科技大国口手术,开启国内侵入式接口的市场,然而,由于需要手术将电极植入脑部,且手术难度较大,管理严格,难以在短时间内直接进入市场。在脑机接口技术迅猛发展的同时,脑机接口领域的数据、脑信号解码算法、信号采集设备等方面的标准需求更显急迫。目前,国内脑机接口从基本数据到系统平台尚无统标准,使得脑机接口的研究过程十分复杂,给技术本身发展和技术产业化带来阻碍。如今,标准已成为国家提升国际竞争力的核心要素之一,脑机接口标准不仅对混
3、合智能的发展变革产生重要影响,更关系到国家软实力的提升。因此,我国必须加快制定脑机接口标准,在国际标准化领域实现引领,同时推动国内产业发展。本白皮书阐述了脑机接口技术的基本概念、分类、相关理论与技术和全球产业情况,梳理了国际相关标准化组织,并详细阐述了我国自2013年以来布脑机交互领域的标准化工作。根据标准化工作基础,尝试分析标准化需求,建立基于标准需求的标准框架,分析目前在脑机接口领域开展标准化工作而临的问题与挑战,提出对策建议,以期在十四五期间进一步推动脑机接口标准化工作、支撑类脑智能产业又好又快发展。脑机接口标准化工作还需要结合产业实践不断完善,希望通过本白皮书的发布能够使更多的研究机构
4、、企业、专家了解我们的研究成果。我们诚挚欢迎任何单位和个人对本白皮书的内容提出宝贵意见,共同参与到标准化工作中。联系单位:中国电子技术标准化研究院通信地址:北京市东城区安定门东大街1号联系人:蔺芳联系电话:010-64102851电子邮件:1.infang版权声明本臼皮书版权属于中国电子技术标准化研究院。使用说明:未经中国电子技术标准化研究院事先的书面授权,不得以任何方式复制、抄袭、影印、翻译本文档的任何部分。凡转载或引用本文的观点、数据,请注明“来源:中国电子技术标准化研究院指导单位工业和信息化部科技司国家标准化管理委员会编制单位(排名不分先后)中国电子技术标准化研究院浙江大学华南理工大学电
5、子科技大学中国医学科学院生物医学工程研究所腾讯医疗健康(深圳)有限公司腾讯云计算(北京)有限责任公司科大讯飞股份有限公司浙江强脑科技有限公司中国科学院自动化研究所编写组(排名不分先后)范科峰董建余云涛蔺芳潘纲王跃明徐建蒲江波李远清潘家辉尧德中秦云钱天翼李建意黄超马万钟BruccPeop1.es李婷曾毅目录一、脑机接口技术I(一)基本概念11.技术实现原理22.技术系统组成5(三)BCI类型8(四)相关的理论和技术12二、脑机接口产业情况19三、标准化工作32(一)国际相关组织工作321.IEEE322.ISO323.1EC394.IS0/IECJTC1485.ITU66(二)我国开展的标准化工
6、作77(三)标准化需求分析80(四)标准化工作挑战841.基于技术的工作挑战842.基于伦理的工作挑战89四、工作建议97一、脑机接口技术(一)基本概念脑机接口(Brain-CornPUterIntertce,BC1.或Brain-MaChineInIerface,BMD通常是指不依赖常规的脊髓或外围神经肌肉组织系统,在脑与外部环境之间建立一种新型的信息交流与控制通道,以便实现脑与外部设备之间的直接交互。此外,脑机接口还涉及双向交互,其中包括来自计算机或环境的反馈,可通过神经调制技术来影响大脑活动。目前,为了将大脑活动可以转化为用户的选自主择,脑电信号被广泛地应用于脑机接口中。这种信号可以记录
7、和测量头皮或头皮下的脑电图(EEG)活动,或基于植入式电极的单个神经元细胞活动,其中自发活动和诱发电位科被用来激活操作指令。目前,在多种BCI协议,包括运动想象(MI)、P300、稳态视觉诱发电位(SSVEP),都是利用被试者的感官信息(听觉、视觉、体感等)来控制外部设备。在用户端,BCI的设计目标是为了让可能患有中风或其他神经系统疾病的受试者实现与其他人交流或操作计算机、神经假肢等。此外,随着BCI的发展,残疾人或老年群体的生活质量也将得到显著改善。(二)BCI系统1 .技术实现原理BCI技术原理如图1所示。首先,通过数据采集设备采集大脑中枢神经系统的神经信号;然后,将记录的数据通过放大、源
8、波、模数(A/D)转换等方式转换为计算机可识别的数字信号;随后,利用神经信号处理器对记录的信号进行预处理,提取特征,再将特征转化为人工输出以达到替换、恢复、增强、补充等功能,或改善中枢神经系统的自然输出,从而改变中枢神经系统与其外部或内部环境之间持续的相互作用。典型的BCI系统主要包括四个部分:信号采集、信号处理、设备控制和反馈环节。其中,信号处理部分包括预处理、特征提取和特征分类。此外,神经活动包括持续发生在中枢神经系统的电生理、神经化学和代谢现象(如神经元动作电位、突触甩位、神经递质释放、耗氧)。这些现象可以通过监测在头皮上、大脑表面或大脑内的电场或磁场,血红蛋白氧合,以及其他传感器获得的
9、参数。图1:脑机接口(BCI)接口的基本原理和操作(JonathanR.Wo1.pawandE1.izabethWinterWo1.paw,Brain-ComputerInterfaces:Princip1.esandPractice,OxfordUniversityPres.2012)2 .技术系统组成一个完整的Be1.系统通常包含四个部分:(1)信号采集;(2)信号处理;(3)计算机或其他设备:(4)反馈环节。(1)信号采集信号采集是脑机接口系统的第个组成部分,用来感知和测量大脑信号。该组件主要负货接收和记录神经元活动产生的信号,并将这些信号传递给BC1.系统的下一个组件(处理单元),用于
10、信号改善和噪声衰减。信号采集方法般分为三类:侵入式、半侵入式和非侵入式。BCI的应用和目标用户的类别决定了正确的信号采集方法和被测现象。(2)信号处理Bc1.系统的信号处理阶段包括以卜.两个步骤:第一步是特征提取,提取用于用户意图编码的信号特征。为了获得有效的BCI操作,从电生理信号中提取的特征要与用户的意图有很强的相关性,而且可以是时域特征、频域特征或者两者兼有。目前,脑机接口系统中最常使用的信号特征包括事件诱发电位(如P300)的振幅或潜伏期、频域功率谱(如感知运动节律)或单个皮质神经元的发放率。第二步是转换算法,将提取的信号特征转换为通信指令。大脑的生理特征或参数被转换成指令,从而给出输
11、出,如字母选择、光标移动、机器人手臂的控制、病人的意愿或其他辅助设备的操作。为了适应信号特征的不断变化,转换算法必须是动态模式的,从而确保用户的特定信号特征能覆盖设备通信的全部范围。3)通信设备BCI系统的另个重要组成部分是包括控制设备在内的通信设备。这是BCI系统的输出阶段,主要功能是从信号处理阶段接收信息,然后将信息发送给外部设备,以便于实现用户意图。最常用的设备是计兜机,比如可通过选择字母来操作计算机上的拼写程序,并在计算机屏幕上移动光标。这可能只用于报告被动式脑机接口的大脑状态。其他常用的交互设备包括人工耳蜗、智能眼镜、轮椅、机械臂、神经义肢或其他辅助设备。在日常生活中,设备还包括智能
12、家居、智能机器人、实时翻译、虚拟现实设备、游戏设备等。(4)反馈具有神经反馈的闭环控制有助于受试者自我调节特定的脑节律。成功的BC1.操作依赖于两个自适应控制器的交互:用户产生特定的大脑信号并给出编码后的神经信号,而BCI则将这些信号进行解码、转换和输出,从而完成用户意图。为了取代传统的神经肌肉输出通道,脑机接口必须具有自适应闭环控制系统的功能,能够向用户提供反馈并微调大脑活动,从而优化输出结果。(三)BCI类型BCI/BMI试图在大脑和外部设备之间建立直接的功能接口。这是最激动人心的新技术之一,可以直接影响到信息工程、计算机工程、生物工程、运动康复和神经科学等多个学科领域。此外,BCI/BM
13、I研究的进展还将促进信息科学、认知科学、材料科学和生命科学的发展,并带来很多BCI潜在应用,包括运动或感觉功能重建、生物机器人、智能外围控制接口等。根据神经信号的时空尺度不同(如图2所示),BCI的类型可分为侵入式和非侵入式。前者使用脑电图、功能磁共振成像和脑磁图等信号,而后者处理局域场电位(1.FPS)和脉冲。此外,颅内大脑信号也包含丰富信息,可用于实现对外部设备更精确的控制。因此,还有一种特殊BCI类型叫做半侵入式BC1.根据维基百科(WikiPedia)上的介绍,BCI的三种类型可以概括如下。图2:神经信号的时空尺度侵入式BC1.研究的目标是修复受损的视力,为瘫痪者提供新的功能。在神经外
14、科手术中,侵入式BC1.被直接植入到大脑灰质中,这样可以获得最高质量的神经信号。然而,因为人体身体对大脑中的异物存在着排斥反应,对于侵入式BCI,容易形成瘢痕组织,从而导致信号变得更弱,甚至消失。非侵入式神经成像技术可作为一种脑机接口来用于人体实验中。目前绝大多数已发表的脑机接口工作主要是基于脑电图的非侵入式脑机接口,而且基于脑电图的非侵入性技术和接口已经被用于更广泛的应用。虽然基于脑电图的脑机接口易于佩戴,且不需要手术,但它们的空间分辨率相对较差,且不能有效地利用高频信号,因为颅骨会显著抑制、分散和模糊脑内神经元产生的电磁波。此外,基于脑电图的脑机接口布每次使用前需要较长时间调试,而非基于脑
15、电图的接口或侵入式接口并不需要使用前的调试时间。半侵入式BC1.设备并不是被植入到大脑灰质内,而是放在颅骨之内、脑膜之外的区域。相比非侵入式BCI,它可以获得更好的分辨率信号,因为颅骨骨组织可以偏转和改变信号形状,而且半侵入式BCI在大脑中形成瘢痕组织的风险比完全侵入式BC1.低。(四)相关的理论和技术临床医学:临床医学是BCI研究的主要应用领域,而且BCI可以根据临床医学的具体情况定制应用场景。临床医学可以研究和评估受试者的大脑活动和行为认知,而BC1.辅助临床医学系统能在癫痛、帕金森病、中风康复等有效治疗方面提供巨大潜力。认知神经科学:认知神经科学可以为脑机接口研究提供了理论基础。此外,认
16、知神经科学研究认知过程中获得的心理和计算神经机制,可作为脑机接口范式设计和主体评价的重要指导。数据管理:数据管理技术可为BC1.研究提供标准的数据库解决方案。它涉及用于格式化、共享、存储和发布数据的工具和接口。这些技术有助于为BC1.数据创建一致的术语和格式,以便于促进数据共享。高性能计算:BCI系统需要强大的计算和通信能力来分析大量数据。高性能计算技术,如GPU支持跨多个计算节点的并行处理,可以高效地运行高级的、大规模的应用程序。高性能计完技术的发展可以扩展脑机接口的研究方向,使其具备大规模脑信号分析和实时信号处理的能力。植入电子学:植入电子学的发展促进了BCI系统向更广泛的、可接受的应用方
17、向发展。植入电子技术专注于开发可植入的医疗诊断、治疗和治疗系统,也可以为便携式BCI系统提供侵入性较低的植入设备。机器学习算法:机器学习算法为BC1.研究提供了多种数学工具。机器学习模型,比如深度神经网络,可以自动学习和优化给定特定目标的数据特征。它的出现进一步扩展了BCI研究方向,能够从大规模神经信号中发现更复杂的潜布依赖关系。神经记录:神经记录技术负责从大脑获取神经信号。高密度电子、高时空分辨率和长期稳定记录的神经记录技术可以为脑机接口提供强大的研究工具,用于大规模监测神经活动,并开发准确可靠的长期脑机接口应用。神经信号处理:神经信号处理技术为脑机接口的神经信号分析提供了多种方法。信号处理
18、方法包括神经信号去噪和变换、神经信息编码和解码、特征提取和神经电路动力学。这些技术可以从神经信号中提取有意义的信息,并负贡将大脑信号解释为指令,以驱动BC1.中的外部设备。神经刺激:神经刺激在脑机联中的应用主要是为大脑提供神经反馈。神经刺激技术,如深部脑刺激、光遗传学和经颅磁刺激,是有效的神经调节方法。神经刺激可以直接将反馈信息(如触觉和强度)输入大脑,形成闭环脑机接口系统。软件工程:软件工程技术可以加快BC1.研究、系统实现和应用的步伐。软件工程技术提供集成的工具、平台系统和丰富的软件开发工具包(SDK)O这些技术通过促进BC1.系统和信号分析工具的快速设置,减轻了BCI研究人员的软件开发负
19、担。未来,脑机接口将成为种全新的控制和通信方式,可应用于更广泛的脑机融合领域。这就是所谓的硅基生物和碳基生物的整合,目的是创造超级人类,使人类大脑得到进一步自然延伸。此外,脑机接口的发展还将在脑电机制、脑认知、脑康复、信号处理、模式识别、芯片技术、计算技术等各个领域提出新的要求,以便于人们更好地了解大脑的结构和功能。随着脑机接口技术的不断完善和多学科融合的努力,脑机接口将逐步应用于实际生活中,并造福人类。具体来说,BC1.技术的未来发展趋势如下:侵入式和非侵入式BCI技术的发展将提高老年人和老年患者的生活质量,旨在提供认知、身体支持和康复方面的帮助,如人类的记忆力、注意力持续时间和认知能力都会
20、得到提高。非侵入式BCI的性能将不断提高,脑机融合和脑机混合智能技术将不断发展,从而进一步拓展无创BCI的临床和非临床应用领域,如个人健康监护、教育技术、游戏行业、大脑检测系统等。非侵入式脑机将从简单的运动区域分析向更多的与运动相关的脑区运动信息分析(多脑区联合分析)发展,从运动控制向更多的脑功能控制发展。例如,瘫痪病人或截肢者可以用他们的真实思想控制机器,恢复他们失去的运动和感觉功能;人类大脑活动的特征将被更好地理解,人类的意识也将被潜在地提取出来。可利用视觉和本体感受反馈来实现实时调控与沟通的闭环BCI系统将得到进一步发展。它不仅能与外界环境进行互动,而且还能作为一个生物反馈平台,来提高患
21、者的认知能力,从而提供更好的治疗效果和康复。例如,慢性疼痛、抑郁症、创伤后压力和严重焦虑可以采用非药物的治疗方式。二、脑机接口产业情况(一)市场规模2019年全球脑计算机接口市场规模达11.8亿美元(如表1所示),预计到2027年将达到36.9亿美元,预期年复合增长率为15.5%(2021-2027)O据麦肯锡TheBioRevo1.utionReport研究显示,未来10到20年,脑机接口产业在全球范围内每年直接产生的经济规模可达700-2000亿美元。表12019全球BCI市场及细分方向规模项目估值(百万美元)全球BQ市场1189.76非侵入式BQ1024.85医疗保健领域735.60疾病
22、治疗546.68脑机接口技术赋能传统产业,带动产业增量发展。据2017年硅谷1.iVe对脑机接口未来5年的市场规模数据显示,在医疗健康产业方面,主要应用包括脑机接口设备(EMG/EEG)大脑检测系统、ADHD脑机接口反馈治疗,预计规模分别可达25亿美元、120亿美元、460亿美元;在教育产业方面,可应用于学生记忆力训练以及学科培训等场景,预计规模可达2500亿美元;在游戏产业方面,可通过虚拟结合方式实现思维控制设备及游戏角色,预计规模可达1200亿美元;在智能家居产业方而,可与IoT等技术结合实现用意念控制家用电器等,预计规模可达数10亿美元。脑机接口在军事方面的潜力不可低估。例如,脑机接口技
23、术已被美国军方用于训练士兵的认知和决策能力:美国国防部高级研究计划局(DARPA)对脑机接口研究投入较大,来达到美军更加快速、高效、准确地完成对战场态势的正确认知。表2全球市场分布地区说明北美北美市场包括美国和加拿大,是全球最大的市场。拉美拉美市场包括墨西哥和巴西,呈现显著增长态势。欧洲欧洲市场主要包括英国,德国,法国,意大利和西班牙。亚太亚太市场包括日本、印度和中国,亚太地区是预测增速最快的市场。MEAMEA市场由南非和沙特组成。(二)市场分布全球BQ市场可分为北美、拉美、欧洲、亚太以及中东和非洲(MEA)等几个地区,如表2所示。北美市场在2019年占据全球BC1.市场的最大份额,主要原因包
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