脑–机接口（BCI）相关术语
连载(七)
昆明理工大学伏云发教授团队
【导读】为了方便脑机接口（Brain-computer interface，BCI）初学者、中级和高级研发者查阅或精准理解BCI相关术语，本章列出了BCI相关术语。第1节为前言，第2节列出了与BCI直接相关的术语，第3节列出了与BCI紧密相关的术语，后面的几节分别列出了在BCI文献中使用的若干术语，包括BCI用户相关术语、实用BCI相关术语、用于BCI的脑神经电磁信号和脑组织血氧水平记录相关术语、BCI相关脑结构与功能术语，以及BCI相关的其他术语。这种列举方式是为了整理BCI相关术语的方便，不是绝对的，也不是标准，仅供参考，目的是为了方便查询或理解BCI相关术语。
目录
1.1-2.15节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（一）
3.1 -3.4节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（二）
3.5-3.12节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（三）
4.1-4.5节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（四）
4.6-4.11节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（五）
5.1-5.10节请看 脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（六）
第5节 实用BCI相关术语
5.11 BCI系统快速性（Rapidity of BCI Systems）
控制系统的快速性是系统响应输入信号的速度，即从接收到指令到完成相应操作所需的时间。快速性通常用来描述系统的响应时间、延迟或传输速度。一个快速的控制系统能够在极短的时间内对输入信号做出反应，这在实时控制应用中尤为重要。
BCI系统快速性是BCI系统从获取用户大脑信号到生成相应控制指令之间所需的时间。这包括信号采集、处理、解码以及传递指令的整个过程。快速性是BCI系统的重要性能指标之一，直接影响系统的实时性和用户体验。为了实现有效的交互，BCI系统通常需要在几百毫秒内完成信号处理和指令输出，否则可能导致响应延迟，从而降低系统的可用性和用户满意度。
提高BCI系统快速性可以通过以下几种方法实现。
1）优化脑信号处理流程。使用高效的特征提取算法，以尽可能减少数据处理的延迟。常用的方法包括时频分析、快速傅里叶变换（FFT）以及自适应滤波器 。开发和采用实时分类算法，如支持向量机（SVM）或深度学习模型，这些算法能够在短时间内准确分类大脑信号。
2）降低通信延迟。采用低延迟的数据传输协议和优化的网络架构，确保脑信号能快速传输到处理单元。尽可能在设备本地进行信号处理，减少传输数据至远端服务器的时间，从而加快响应速度。
3）提高采样率和硬件速度。采用高采样率的硬件设备，可以更快地捕捉脑信号变化，从而缩短系统响应时间。利用专用集成电路（ASIC）或图形处理单元（GPU）来加速信号处理任务。
4）采用并行计算和优化的计算架构。通过并行计算，利用多线程或多核处理器来同时处理多个信号通道，减少处理时间。构建优化的系统架构，以减少计算瓶颈和数据处理的等待时间。
5）改进用户界面响应速度。设计响应更快的用户界面，减少用户输入和系统响应之间的延迟。为用户提供即时反馈的机制，有助于提高系统整体的响应速度和用户体验。
参考文献[9] [36] [163] [280] [328-329] [331-334]中提供了BCI系统快速性的相关信息。
5.12 BCI系统可靠性（Reliability of BCI Systems）
控制系统的可靠性是系统在指定的条件下和规定的时间内，能够执行预期功能的能力。它反映了系统在长时间运行中维持性能、避免故障或错误的能力。可靠性通常通过统计方法进行度量，包括故障率、平均无故障时间（MTBF）等指标。
BCI系统可靠性是BCI系统在各种操作条件下稳定、持续地执行预期任务的能力。高可靠性的BCI系统应当在不同用户状态、环境条件和任务需求下，保持一致的性能和准确性，且不会因硬件故障、信号干扰或其他因素而导致系统失效或输出错误。BCI系统的可靠性对于确保其在临床或实际应用中的安全性和有效性至关重要。
提高BCI系统可靠性的方法包括但不限于以下几种。
1）采用高质量的传感器
选择高性能的电极和传感器，确保采集的脑信号具有足够的信噪比（SNR），从而减少外界干扰对信号的影响。除此而外，通过伪迹消除算法、滤波器设计以及环境控制，减少外部干扰和噪声对信号的影响，提高信号的稳定性。
2）改进算法的鲁棒性
采用多通道数据融合技术，整合来自多个电极的数据，以提高对噪声和伪迹的抗干扰能力，增强系统的稳定性。此外，可采用能够实时自适应调整的算法，使系统能在不同条件下保持高效稳定的性能。
3）提升系统冗余度
在系统设计中引入冗余硬件，以确保即使在某个硬件模块发生故障时，系统仍能正常运行。也可通过软件容错技术，确保在出现软件故障或异常时，系统能及时恢复或进行故障隔离，避免影响整体系统的稳定性。
4）长期用户数据积累与优化
利用用户的长期数据进行个性化模型校准，优化系统对每个用户的适应性，从而提高整体可靠性。还可以通过机器学习算法的持续学习机制，使系统能够不断更新和优化，适应用户的行为变化和脑信号的波动。
5）改进用户界面和反馈机制
为用户提供实时的反馈机制，有助于用户根据系统反馈调整自身状态，从而提高系统的可靠性。通过培训用户使用BCI系统，增加他们的使用熟练度，从而减少由于误操作或使用不当导致的系统不稳定性。
文献[36] [126] [227] [280] [329] [335-336]中提供了BCI系统可靠性的相关信息。
5.13 BCI系统安全性（Safety of BCI Systems）
控制系统的安全性是系统在运行过程中不会对操作者、环境或其他设备造成危害的能力。安全性涵盖了防止意外事故、硬件故障、恶意攻击等多方面内容，以确保系统在预期和非预期情况下都能安全运行。
BCI系统安全性是BCI系统在操作过程中确保用户和系统本身的安全性。这包括防止对用户大脑或身体的直接伤害（如电流过大导致的生物组织损伤）、避免长时间使用对大脑或神经系统的负面影响、以及系统误操作或失灵时的应急处理机制。安全性是BCI系统在临床应用、康复训练以及商业化使用中的重要评估标准，确保系统不仅有效，还要无害于用户。
提高BCI系统安全性的方法包括但不限于以下几种。
1）数据加密与隐私保护
在信号传输过程中采用先进的加密算法，确保数据在传输过程中不被非法截取和篡改，从而保护用户的隐私和数据安全。在数据存储和处理过程中，采用严格的隐私保护措施，确保用户的敏感信息不会被滥用或泄露。
2）系统容错与冗余设计
设计冗余的硬件和软件系统，以应对可能出现的设备故障或软件错误，确保系统能够在故障发生时保持正常运行。建立实时监控系统，对关键参数进行实时监控，并在出现异常时及时发出警报，以防止潜在的安全风险。
3）用户安全性保护
使用经过验证的生物相容性材料来制造电极和其他接触用户身体的部件，避免对用户健康产生不良影响。严格控制设备的电磁辐射和电流强度，确保不会对用户的健康造成威胁。
4）系统使用培训与规范操作
对用户进行系统使用的培训，使其了解正确的使用方法和潜在的安全风险，从而减少因操作不当导致的安全问题。制定严格的操作规范，确保系统在使用过程中遵循安全标准，减少可能的风险。
5）持续的安全评估与更新
对系统进行定期的安全评估，发现并修复潜在的安全漏洞，确保系统的持续安全性。及时发布安全更新和补丁，以应对新出现的安全威胁和漏洞。
文献[36] [337-339]中提供了BCI系统安全性的相关信息。
5.14 BCI系统易用性（Ease of Use for BCI System）
控制系统的易用性（Usability of Control Systems）是系统在操作、理解和学习方面的便捷程度。一个易用的控制系统应当具有直观的用户界面、简单的操作步骤，并且要求用户在最少的学习时间内掌握系统的操作。这对于实现有效的用户体验和提高系统的接受度至关重要。
BCI系统易用性（Ease of Use for BCI System）是指BCI系统在设计和操作过程中对用户的友好程度。这包括用户能否轻松地学习和使用系统，系统是否提供及时的反馈，以及系统的界面设计是否符合人体工程学原则。易用性在BCI系统中尤为重要，因为它直接影响到系统在实际应用中的可行性和用户的接受程度。高度易用的BCI系统能够降低用户的学习曲线，提高系统的使用效率，并减少用户的操作疲劳和错误率。
提高BCI系统易用性的方法包括但不限于以下几种。
1）简化用户界面
设计简洁直观的用户界面，使用户能够轻松理解和操作BCI系统。避免复杂的操作流程和技术术语，使用户能够快速上手。允许用户根据自己的偏好和需求自定义界面设置，提高系统的友好性和操作便利性。
2）减少校准与训练时间
开发高效的校准算法，减少用户在使用前进行校准和训练所需的时间。通过优化脑信号处理和分类方法，提升系统的即用性。利用机器学习技术，自动适应和调整系统参数，以减少用户的参与程度，提高系统的易用性。
3）提供反馈与指导
在系统使用过程中提供实时的视觉、听觉或触觉反馈，帮助用户了解其操作的效果，并进行相应的调整。在系统内嵌入用户指导和帮助功能，通过教程、提示和视频演示，帮助用户熟悉和掌握系统的操作。
4）增强系统的适应性与鲁棒性
通过个性化的脑信号处理和分析方法，使系统能够适应不同用户的脑信号特征，提高系统的普适性。优化系统以适应不同的使用环境，例如在噪音、光线变化或运动情况下仍能稳定运行。
5）简化硬件设置
开发更加轻便、舒适的硬件设备，减少用户佩戴时的不适感和操作负担。例如，采用无线技术、柔性电极等，以提高用户的使用体验。将BCI系统的各个组件集成在一起，减少繁琐的连接和设置过程，使得系统更加便携和易用。
文献[36] [115] [269] [333] [340-341]中提供了BCI系统易用性的相关信息。
5.15 BCI标准化
目前，由于BCI技术仍处于发展的初级阶段，其技术成熟度较低，因此制定BCI标准化可能存在拔苗助长的风险。过早进行BCI标准化可能会限制对其创新和技术的多样性，因为标准化倾向于确立固定的规范，这可能阻碍BCI新兴技术的探索和发展。
然而，随着BCI技术的逐渐成熟，标准化可以为BCI技术的推广和应用提供必要的框架，有助于确保安全性、可靠性和可互操作性。因此，BCI标准化的时机应慎重考虑，以平衡技术创新和规范化之间的关系。
在合适的时机，BCI标准化制定并实施一系列技术规范和协议，以确保不同的BCI系统在设计、操作、数据处理、用户界面、安全性等方面具有一致性和互操作性。BCI标准化的主要目的如下。
1）提高互操作性。确保不同BCI系统之间能够互通和兼容，促进技术的广泛应用。
2）增强安全性和可靠性。通过统一的标准，减少系统故障和潜在的安全隐患，保护用户安全。
3）促进技术普及。通过标准化，使得BCI技术能够更快地进入市场，推动其在医疗、康复、娱乐等领域的应用。
4）规范行业发展。为研究机构和商业公司提供一致的研发方向，减少重复劳动，优化资源配置。
制定BCI标准化的方法包括但不限于以下。
1）多方参与。集成研究机构、行业专家、标准化组织、监管机构以及最终用户的意见，以制定全面的标准。
2）逐步推进。从核心技术（如信号采集、处理算法等）入手，逐步扩展到其他相关领域。
3）基于实验数据。标准的制定应基于大量实验数据和临床验证，确保标准的科学性和实用性。
4）动态更新。随着技术的发展，标准需要定期更新，以适应新的技术进展和应用需求。
BCI标准化的主要意义如下。
1）促进技术成熟。标准化有助于技术的稳定发展，减少开发过程中不必要的复杂性。
2）提升用户体验。通过统一的标准，用户可以获得一致且优化的体验。
3）加速市场化进程。标准化可以降低研发和生产成本，推动BCI产品更快进入市场。
4）保障竞争公平。标准化可以减少垄断行为，确保市场上有更多的选择，促进公平竞争。
文献[3] [9] [280]中提供了BCI标准化的相关信息。
5.16 BCI产业转化（Translation of BCI）
BCI产业转化（Translation of BCI）是将BCI技术从实验室研发阶段转移到商业化和实际应用的过程。其目标是通过技术转化和商业开发，将BCI系统应用于医疗、辅助技术和娱乐等领域，从而让患者或消费者受益，并实现商业利润。这一过程涉及技术成熟度的提升、产品开发、临床验证、市场推广以及法规合规等多个环节。
BCI产业转化的主要挑战包括BCI技术成熟度不高、市场需求不明确、研发和监管成本高昂等。此外，由于BCI技术仍处于早期发展阶段，产业转化的成功需要多学科团队的合作，以确保技术的实用性、可靠性和用户体验的提升。文献[1] [36]中提供了BCI产业转化的相关信息。
5.17 假冒伪劣BCI产品
假冒伪劣BCI产品通常指的是那些以BCI名义销售的商业设备，但实际上无法准确区分脑电图（EEG）信号和肌电图（EMG）或其他非大脑信号。这类设备可能采用简单的传感器来检测头皮上的电信号，但由于它们的技术限制，这些信号可能被身体其他部位产生的电活动所污染。结果是，这些设备的输出可能不是真正反映大脑活动的BCI信号，而是混杂了肌肉活动或眼动等其他生物信号。
使用这些假冒伪劣BCI产品的风险在于它们无法提供准确的大脑信号解读，可能导致用户误以为其设备是有效的BCI系统。这样的产品不仅误导消费者，还可能对BCI技术的公众形象和信誉造成负面影响。识别假冒伪劣BCI产品的一些方法主要包括。文献[313]提供了BCI中的EMG和EOG伪迹。
1）查看设备是否经过严格的科学验证和临床试验。
2）了解设备是否使用了有效的伪迹去除技术，以确保其输出的信号确实来自大脑。
3）检查设备的评测和用户反馈，尤其是科学社区的评价。
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