传感器技术的发展

时间：2022-12-13

作者：佛山市迈迪克医疗器械有限公司

从广义上讲，脑机接口的目标是从生物体内的神经元中提取信息，并将这些信息传递给人工设备。其中，测量神经活动是关键的第一步。

有多种技术可用于执行这些测量。目前，大多数非侵入性脑机接口系统使用脑电图 (EEG)技术。而在侵入性脑机接口系统中，较常见的技术是在大脑表面或通过皮质内电极阵列植入电极。

在这两类测量方式之外，还有一些或成熟或新兴的测量方法，有的只在体外或动物模型中进行了，有的已经在人体中和验证。下图展示了一些当前可用的测量技术以及它们的优缺点。

当前正在运用的脑机接口技术

脑机接口的传感器模式及其优缺点

非侵入性技术

脑电图 (EEG)

EEG 是记录头皮的脑电活动。1929 年，奥地利精神病学家 Hans Berger **记录了人类脑电图。

EEG 测量在大脑神经元内流动的离子电生的电极之间的电位差。人们认为，使用传统电极检测 EEG 信号需要大约一百万个神经元一致或接近一致地放电。这样就可以用亚毫秒时间记录脑电图，但空间分辨率约为 3.0 cm。

由 EEG 测量的大脑产生的活动通常小于由肌肉活动或外部来源产生的共存场。因此，需要信号处理技术来滤除这些信号伪影。

即使空间分辨率较差，EEG 仍然是临床环境中的标准做法，应用在癫痫诊断和脑机接口等研究中。近年来，电极、信号采集硬件和信号处理软件经历了重大改进，使 EEG 得到了新的发展。例如，传统的采集系统使用基于凝胶的电极来提高记录信号的信噪比。

为了提高这种技术在面向消费者的应用中的可用性，开发者们越发偏向开发基于干电极的脑电图系统以及无线便携式系统。

脑磁图 (MEG)

该技术利用**导**干涉装置 (SQUID)，该装置对神经元活动期间产生的磁干扰较为敏感。该设备可以无创检测头皮周围（约 50-500 英尺）的神经活动产生的磁场信号。现代 MEG 设备通常采用由 300 多个 SQUID 组成的头盔状传感器阵列，系统排列着，覆盖整个头皮。

功能性近红外光谱 (fNIRS)

NIRS是一种非侵入性大脑监测技术，它通过光学技术检测皮质血流动力学反应的变化，这可以反映人类感知、认知和运动的功能。这是一种正在快速发展的神经成像工具。

**便携可穿戴和无线fNIRS传感器已经打破了传统神经成像方法的限制。但是，这些方法以牺牲生态有效性为代价，对实验方案、数据收集设置和任务条件施加了限制。神经人体工程学等建议倡导在自然环境中测量大脑功能，fNIRS是能满足这一目标的传感器之一。

未来的 fNIRS 系统预计将强调两种类型：

i) **便携、可穿戴传感器，允许在我们的日常生活中进行连续和无处不在的测量。

ii) 高密度和功能丰富的系统，可测量整个头部，但配备大型硬件和系统。

fNIRS 的另一个关键优势是它易于与 EEG 等其他模式集成。多模态测量，特别是 fNIRS+EEG已经成为一种广泛使用的方法，因为它已被证明比任何单独的模态能提供更多的信息。同样，fNIRS 还有很大潜力与神经 ** 模式结合。由于 fNIRS 依赖于光学特性，因此 tDCS 和 TMS 没有系统性干扰，可以同时用于研究 tDCS 和 TMS 在连续 ** 之前、期间和之后对皮层的影响。

词条
词条说明
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