脑机接口(BCI)重要内容：BCI相关术语（五）

脑-机接口（BCI）相关术语

连载(五)

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。第一节为前言，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。

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1.1-2.15节请看

3.1 -3.4节请看

3.5-3.12节请看

4.1-4.5节请看

第4节 BCI用户相关术语

4.6 BCI使用情况（Usage of BCI）

BCI使用情况是BCI系统在实际生活中的应用及其被用户或临床患者所使用的程度和方式，包括BCI系统的易用性、长期独立使用性、实际使用频率以及对用户生活质量改善的程度。文献[36] [116] [227]中提供了BCI使用情况的相关信息。

BCI系统日常使用情况评价可通过随访特定BCI用户，对使用中的四个问题进行调查，包括：

1）用户是否能够使用BCI系统。评价等级为不能、基本能够、能够。

2）为用户定制的BCI系统是否适合长期独立的使用。评价等级为不适合、适合。

3）为用户定制的BCI系统是否被使用且是如何被使用的。评价等级为未使用、较少使用、经常使用。

4）为用户定制的BCI系统是否改善了其生活质量[138]。评价等级为未改善、改善较小、改善良好

所调查的上述四个问题是BCI技术转化为实际应用需要考虑的[1] [114] [133] [138]。

4.7 个性化BCI（Personalized Brain-Computer Interface）

个性化BCI是指为特定用户定制的BCI系统，通过适应个体的神经特征、行为模式和偏好，优化BCI系统的性能和用户体验。这种个性化设计不仅提高了信号解码的精度和系统响应的效率，还增强了用户的操作舒适度和系统的整体适用性。个性化BCI涉及以下几个方面。

1）定制化神经解码。基于个体神经特征的数据，开发和优化专属的解码算法，以提高脑信号的识别精度。

2）个性化用户界面。调整界面设计和交互方式，以符合用户的使用习惯和需求，增强操作体验。

3）适应性训练。设计个性化的训练协议，使用户更快地适应BCI系统，并在使用中获得更好的性能。

4）动态调整。通过持续监测用户的反馈和脑信号，实时调整系统参数，以应对个体差异和使用中的变化。

文献[176]探讨了个体间和个体内神经信号的差异性，以及个性化BCI在应对这些差异性方面的重要性。

4.8 BCI医学

BCI医学是一门将BCI技术应用于医学，以更好地实现医学目标的学科。BCI医学的科学根基在于运用BCI的原理与方法不断完善临床实践，以预防、诊断、治疗并促进某些脑部相关疾病的康复。BCI医学的发展为许多疾病的治疗和康复训练提供了新的希望 [130]。

BCI医学研究及应用涉及多学科的交叉融合，包括临床医学、神经科学、认知科学、心理学、生物医学工程、神经与康复工程、生物材料学、生物学与生物化学、人工智能、计算机科学、电子工程、智能机器人控制、模式识别与现代信号处理等多个学科。

BCI医学的主要研究内容或方向包括：1）对BCI技术的不断变革或优化。这包括开发以患者为中心的友好BCI范式和神经编码模型、患者可接受的或满意的脑信号采集方法、高效的神经解码算法及优化的神经反馈方法等。2)推进BCI在预防、诊断、治疗和康复等医学目标的转化研究及实际应用。

4.9 BCI医学目标（Medical Goals of BCI）

BCI医学目标在于运用BCI技术应对传统医疗方法难以克服的医学挑战，以此进一步提高患者的生活质量。它有助于实现现代医学目标，更有效地预防、治疗和康复与中枢神经系统相关的疾病，包括以下四个目标。

（1）BCI在预防疾病与损伤、促进及维持健康方面具有潜在的重要作用。

（2）BCI在缓解疾病引起的疼痛和减轻患者痛苦方面展现出潜在的作用。

（3）BCI在疾病治疗和患者护理方面展现出其潜在价值，特别是对于那些无法治愈的病人的照料。

（4）BCI在防止过早死亡及支持临终关怀方面具有潜在价值。

除了可能帮助实现上述医学目标外，BCI技术在医学应用中还有其他一些重要目标。Klein[344]提出在医学目标的框架下思考BCI医学实践，并提出了4个补充目标，涉及神经多样性、神经隐私、真实性和代理等方面。此外，还需考虑到患者可能从植入式BCI获益，尽管这一目标存在安全性问题，以下是BCI用于医学的5个补充目标[343]。

（1）BCI技术系统应确保患者从植入式BCI获益。

（2）BCI技术系统应充分考虑患者个体之间的神经多样性和个体内部的神经变异性。

（3）BCI技术系统应保护患者的神经隐私。

（4）BCI技术系统应协助患者做出真实的生活选择。

（5）BCI技术系统应帮助患者行使和分享代理权。

随着BCI在临床应用研究的发展，可能还会出现BCI用于医学的其他目标。

4.10 BCI伦理

4.10.1 颅内BCI（Intracranial BCI）

颅内BCI（Intracranial BCI）也是植入式BCI（Implanted BCI）或有创BCI（Invasive BCI），需要穿透颅骨，通过手术将电极放置在大脑皮层表面（如ECoG）或植入大脑皮层内部（如微电极阵列），以记录神经活动或刺激神经元[36] [279]。该类BCI通常能够获得较高信噪比的信号，空间和时间分辨率较高，主要用于研究高级神经功能、开发高性能的BCI系统，具有临床应用前景，如运动功能重建、神经功能恢复、治疗癫痫等。

4.10.2 颅外BCI（Extracranial BCI）

颅外BCI也是无创BCI（Non-invasive BCI）或非植入式BCI（Non-implanted BCI），不需要穿透颅骨，不需要手术植入电极，其电极放置在颅骨外部记录脑信号，信号易受外界噪声影响，通常较植入式BCI的信噪比低。该类BCI适用于低风险的研究、临床应用和娱乐等领域[280]。

4.10.3植入式BCI（Implantable/ Invasive brain-computer interface）

植入式BCI是一种直接植入大脑内部或表面的BCI系统。该类系统通过外科手术将电极植入大脑皮层、放置在硬膜上或放置在硬膜下大脑皮层表面，直接记录神经元或神经元群的活动信号，或可同时对神经元进行刺激。这种方法因电极接近或植入大脑皮质，能够获得较高空间分辨率和信噪比的神经信号，可支持更精细的神经解码[130-131]。

植入式BCI有望植入后长期使用，通常用于恢复瘫痪患者的运动能力或用于医疗研究。植入式BCI面临植入手术风险、电极与脑组织的长期兼容性、信号稳定性等挑战。文献[36] [224]为植入式BCI的原理、技术细节及其在医学领域的应用提供了深入的背景信息。

4.10.4植入式BCI伦理（Ethics for implantable brain-computer interface）

植入式BCI伦理涉及对植入式BCI技术在研发和应用过程中引发的伦理问题的讨论和规范。这一领域主要涉及患者的安全与隐私、知情同意、长期影响以及社会与法律的影响。

1）植入式BCI安全性。植入式BCI技术可能会对用户大脑组织造成损伤或引发感染等风险，因此确保手术和设备对用户的安全性至关重要。

2）植入式BCI神经隐私。由于植入式BCI可以收集大量用户神经数据，如何保护这些数据的隐私也成为重要的伦理考量。

3）知情同意。由于植入式BCI的技术复杂性，确保用户（包括受试者或患者）在理解技术和可能风险的情况下自愿参与或使用，是伦理的核心要求。

4）长期影响。植入式BCI的长期使用可能对大脑功能产生持续影响，如何评估和监测这些影响，避免可能的负面后果，是研究和应用中的重要议题。

5）社会与法律影响。植入式BCI技术的应用可能引发社会不公、隐私侵犯及身份认同等问题，同时也要求法律框架的完善，以保护使用者的权益。

文献[130-131] [169]为植入式BCI的伦理问题提供了深入的分析，有助于理解该技术发展对社会和个人的影响。

4.10.5非植入式BCI（Non-Invasive Brain-Computer Interface）

非植入式BCI指的是无需在大脑中植入电极或其他设备的BCI技术。非植入式BCI通过外部传感器（如采集EEG、MEG和fNIRs等信号的传感器）记录大脑的活动，并将这些信号用于实现与计算机或其他外部设备的通信和控制。

非植入式BCI的主要优势在于其安全性高、无手术风险、且易于使用和部署，其主要局限是采集的脑信号精度较低，受环境噪声的影响较大，空间分辨率有限，且通常不适合长期连续监测。非植入式BCI在康复医学（如中风患者的神经恢复训练）、游戏控制、精神状态监测、神经反馈训练等领域具有潜在应用。文献[1] [36]有助于进一步理解非植入式BCI的技术及其在不同领域的应用。

4.10.6非植入式BCI伦理（Ethics for Non-Invasive Brain-Computer Interface）

非植入式BCI伦理指的是在设计、开发和使用非植入式BCI技术时所需遵循的一系列伦理原则和道德考量。这些伦理问题涉及用户隐私、数据安全、知情同意、长期使用对健康的影响，以及社会和法律层面的影响。

1）隐私与数据安全。非植入式BCI收集和处理脑信号数据，可能涉及到极为敏感的个人信息。因此，如何确保这些数据的隐私和安全性是伦理讨论中的核心问题。

2）知情同意。用户在使用非植入式BCI之前，必须充分了解设备的工作原理、潜在风险以及可能的长期影响，并自愿同意使用。这要求研发者和应用者提供清晰和透明的信息。

3）健康与安全。尽管非植入式BCI没有外科手术的风险，但长期使用设备可能对头皮、认知负荷、心理状态等产生影响。伦理讨论需要考虑如何评估和减轻这些潜在的负面影响。

4）公平与可及性。确保不同社会经济背景的用户平等地获取和使用非植入式BCI技术，是伦理研究的重要方面。这包括技术的成本、教育推广、以及对残障人士的适应性设计。

文献[130-131] [170-171]提供了理解非植入式BCI伦理的背景和指导原则，对于从事BCI相关技术研发和应用的人员至关重要

4.10.7 BCI医学应用（Medical Applications of Brain-Computer Interface）

BCI医学应用是指把BCI技术用于医疗领域。BCI医学应用旨在通过解码大脑活动，帮助患者恢复、增强或替代受损的神经功能，改善生活质量。主要的BCI医学应用包括运动康复、神经康复、辅助设备控制以及脑疾病的早期检测和诊断。

（1）运动康复。BCI用于帮助中风、脊髓损伤等患者进行运动功能恢复，通过解码运动想象信号来激活相应的外骨骼或电刺激设备。

（2）神经康复。BCI结合神经反馈技术促进神经可塑性，帮助患者重新获得失去的感知或运动能力。

（3）辅助设备控制。为重度运动障碍患者提供与外部环境交互的手段，如控制轮椅、假肢或计算机设备。

（4）脑疾病检测和诊断。通过监测脑信号的异常模式，BCI可以用于早期发现和诊断癫痫、阿尔茨海默病等神经疾病。

文献[9] [36] [73]探讨了BCI在运动和神经康复中的应用，以及其在辅助设备控制和疾病诊断中的潜力。

4.10.8 BCI医学应用伦理（Ethics for Medical Applications of Brain-Computer Interfaces）

BCI医学应用伦理是指把BCI技术用于医学领域时涉及的伦理问题和考量。这包括了BCI技术的使用对患者隐私、知情同意、风险评估和公平性等方面的影响。BCI医学应用伦理旨在确保BCI技术的发展和应用符合伦理标准，保护患者的权利和利益。

（1）隐私和数据保护。BCI技术涉及与患者大脑相关的敏感数据，必须确保这些数据的安全性，防止未经授权的访问和滥用。保护患者的脑信号数据不被泄露是关键。

（2）知情同意。患者需要充分了解BCI技术的潜在风险和收益，确保他们在自愿和知情的基础上同意使用这些技术。

（3）风险评估。在临床应用中，需要评估BCI技术可能带来的医疗和心理风险，制定适当的安全措施和应对方案。

（4）公平性。BCI技术的应用应当公平，避免因经济状况、地理位置或其他社会因素导致的医疗服务不平等。

（5）伦理审查。BCI的医学应用研究和实施必须经过伦理委员会的审查，以确保符合伦理标准和法规要求。

文献[130-131]讨论了BCI在医学应用中涉及的伦理问题，包括隐私、知情同意、风险评估和公平性，提供了对这一领域伦理考量的深入分析。

4.10.9 BCI非医学应用（Non-Medical Applications of Brain-Computer Interface）

BCI非医学应用是指BCI技术在非临床场景下的应用。这些应用不用于治疗或诊断疾病，而是用于娱乐、通信、游戏、智能家居控制以及人机交互等领域。BCI非医学应用旨在提升用户体验、扩展人类能力或在非医疗背景下改善生活质量。

BCI非医学应用通常采用基于EEG或其他非侵入性技术的系统，允许用户无需传统的输入设备（如键盘或触摸屏）即可控制设备或进行通信。这类应用注重用户体验、可用性和可访问性。文献[161][173]概括了BCI非医学应用的相关知识。

4.10.10 BCI神经隐私（Neuroprivacy in Brain-Computer Interface）

无论是植入式还是非植入式BCI，也无论是BCI医学应用还是非医学应用，均可能涉及神经隐私。

BCI神经隐私是指在BCI技术应用过程中，保护用户脑信号数据不被未经授权的获取、使用或分享的隐私权问题。由于BCI直接与大脑活动相关，所收集的脑信号数据可能包含敏感的个人信息，因此神经隐私成为BCI技术发展的关键伦理和法律挑战。BCI神经隐私涉及以下几个方面。

1）脑信号数据的敏感性

BCI技术通过电极或其他传感器采集用户的脑信号或其他神经信号，这些信号可能反映用户的情绪、意图、思想、记忆等敏感信息。因此，保护这些数据免受未经授权的访问和使用至关重要。

2）潜在的隐私风险

（1）数据滥用。如果脑信号数据被滥用，可能会导致严重的隐私侵犯，如个性分析、行为预测，甚至是思想控制。

（2）数据泄露。由于BCI系统可能会连接到互联网，数据泄露的风险增加，特别是在处理高度敏感的神经数据时。

3）法律与伦理框架

目前，关于神经隐私的法律和伦理框架尚不完善。随着BCI技术的进步，制定明确的法规来保护用户的神经隐私成为当务之急。

BCI研究者和开发者需要遵循严格的伦理准则，确保在设计和应用BCI技术时充分考虑隐私保护问题。

4）隐私保护技术

（1）数据加密。使用先进的加密技术保护脑信号数据的传输和存储，以防止未经授权的访问。

（2）数据匿名化。在必要时，将脑信号数据进行匿名化处理，以降低隐私泄露的风险。

文献[174-175]为理解和应对BCI神经隐私问题提供了重要的理论和实践依据。

4.11 BCI转化医学

BCI转化医学涉及BCI技术从实验室到临床的转化和应用，有效地将BCI基础研究与解决患者实际问题相结合。这一过程涵盖了将BCI基础研究的成果“转化”落实，为疾病的预防、诊断、治疗和康复及预后评估带来便利[130]。

为促进BCI转化为临床应用，应关注临床用户的具体需求，并与临床医生建立紧密的合作关系。这一过程应遵循以用户为中心的设计原则，确保BCI解决方案能够满足最终用户的实际需要，并顺利融入他们的日常生活中[162][177]。

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