7.2.2 常见信号模式
根据实验范式不同，常见脑机接口系统有以下几种。
1.运动想象脑机接口系统
运动想象脑机接口系统主要是在感觉运动皮层记录感觉运动的节律（sensorimotor rhythms，SMRs）信号，包括mu（8～12 Hz）节律和beta（18～26 Hz）节律，图7.1描述的是感觉运动脑区和手脚运动的对应关系。人的肢体发生实际或想象运动时，皮层运动相关区域脑电特定频段幅度降低的现象称为事件相关去同步化（event-related desynchronization，ERD），ERD的现象表明对应大脑皮层区域处于激活状态。受试者在静息状态下特定频段的幅度增高，这一现象称为事件相关同步化（event-related synchronization，ERS），ERS现象表明相应大脑皮层区处于未激活状态或者正在转入安静状态。已有研究表明ERD与ERS并非孤立发生，感觉运动皮层局部发生ERD时，通常在邻近皮层区域伴随有ERS出现。人体大脑皮层运动体感区神经冲动的传导具有左右颠倒的特征，即当实际或想象左手运动时，ERD现象将出现在大脑右侧皮层的运动体感区，实际或想象右手运动时，ERD将出现在大脑左侧皮层的运动体感区。
图7.1 感觉运动脑区和手脚运动的对应关系
（摘自Neuroscience：exploring the brain 2001［1］）（书后附彩插）
肢体实际或想象运动的ERS／ERD现象主要出现在感觉运动皮层脑电信号的mu节律和beta节律。mu节律的频率范围与alpha波的频段大致相同，为8～13 Hz，但mu节律和alpha波并不相同，mu节律产生于人脑的感觉运动皮层，而alpha波在全部头皮区域均有分布。beta节律以20 Hz为中心。在肢体实际或想象运动时，mu节律的ERS／ERD现象比beta节律更加明显。
这些节律幅度的变化可以检测ERD和ERS，通常mu节律和beta节律的变化与运动想象、感觉和运动存在关联。其中ERD是指当人进行某种活动时，大脑皮层的脑电信号会在相关位置变得异常活跃，但感知运动节律在特定频率下信号能量明显变小，这种负相关的电生理现象就是ERD。与之相反，当人进行某种活动时，大脑皮层的脑电信号会在相关位置变得异常活跃，而感知运动节律在某个特定频率下信号能量也明显增强，这种异常电生理现象就称为ERS。图7.2分别展示了想象左手、右手、双脚运动时C3和C4导联的脑电信号频谱图。
2.P300脑机接口系统
P300电位是一种外源性事件相关视觉诱发电位，主要原理是大脑在处理某种小概率事件时所诱发（刺激）的电位活动，这种电位活动会在刺激开始后300 ms左右产生一个正向峰值，图7.3（b）为受P300范式刺激后电极位置Fz、Cz、Pz处信号曲线。P300实验中的经典刺激范式是在1988年由Farwell.L.A和Donchin.E提出的“靶范式”（图7.4），具体过程为：①36个字符按照6×6的方式排成一个字符阵列，字符会按行或按列随机闪烁；②当受试者所关注的行或列变为亮色时，检测脑电信号在300 ms左右会诱发P300电位；③根据诱发P300电位时闪烁的行及列的交点确定受试者所注视的字符。为了增强信号特征，实验开始前需要进行短期的训练，通过训练数据提取P300信号的空域投影矩阵，再利用相关信号处理算法识别P300电位。
图7.2 想象左手、右手、双脚运动时C3和C4导联的脑电信号频谱图（摘自《认知建模和脑控机器人技术》［2］）（书后附彩插）
图7.3 标准oddball范式的脑电信号图（摘自《脑-机接口原理与实践》［3］）
（a）一个标准oddball范式的时间进程；（b）一个被试在电极位置Fz、Cz、Pz的平均oddball ERP；（c）oddball刺激后300～400 ms平均ERP波幅的地形分布
3.稳态视觉诱发脑机接口系统
SSVEP是1979年Regan发现的大脑生理活动规律，随后清华大学的生物工程学院进行了研究，提出了一个基于SSVEP的BCI系统框架。SSVEP-BCI由于系统设计简便、训练较少、响应时间（response time，RT）短、信息传输率高，得到了广泛应用。
图7.4 P300范式刺激界面（摘自《脑-机接口原理与实践》［3］）
在SSVEP-BCI中，实验范式设计主要围绕对刺激模块的编码进行。在最初的范式中，每个刺激模块由一个刺激频率编码，不同模块所使用的频率互不相同。对于小规模的应用系统而言，这类型范式提供了足够的刺激模块数量，但是对于较大的应用系统来说就会面临瓶颈，如拼音打字系统。这类应用系统需要编码的刺激模块可达30多个。对于CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示屏）类型的刺激器，因屏幕刷新率限制以及被试生理因素的影响，仅有有限的频率可用于刺激模块编码。要实现复杂的应用系统，依赖于传统单频编码范式是无法实现的。
为解决这一问题，研究人员从直接编码和间接编码两个角度出发提出了解决方案。
间接编码范式主要包括分级编码和多步选择组合操作两种类型。在分级编码中，将需要编码的总体目标按照一定数目的类别进行分类，当需要选择一个目标时，首先选择包含该目标的刺激模块，当成功选择后系统将该刺激模块所编码的所有目标重新分类到所有刺激模块，被试再进一步选择包含所需要目标的刺激模块，依次类推直至成功选择所需要的目标。对于多步选择组合操作，主要通过几个基本的操作（如向左、向右、向上、向下、选择和取消等）模块进行频率编码，当需要选择一个模块时，按照当前光标位置，选择一个合理路线，按照多步选择操作的方式，使光标移动至目标位置，完成对目标的选择。这两种类型的间接编码都需要多步操作才能完成对目标的选择。
对于直接编码，有研究人员首先提出使用双频或者多频同时对同一个模块进行编码。该方法从组合数学理论角度在一定程度上增加了刺激模块的数量。例如，Shyu等用4个频率实现了6组LED的编码。闫诤等提出了左右视觉半球同时刺激的编码范式。该方式也使用双频同时编码，但是两个刺激分别呈现在左右侧视野。
上述提及的编码范式都只用了“频率”的信息，SSVEP与刺激信号相位同步。于是，研究人员在设计刺激时，将同一频率分配不同的相位，通过频率-相位对刺激模块进行混合编码，显然这样可以增加刺激编码数量。例如，Jia等利用3个频率实现了15个模块的编码。Lee等用一个频率实现了8个刺激模块的编码。
SSVEP范式的实验流程为：①刺激设备上有多个目标，各自按照不同的频率同时闪烁；②被试注视其中一个闪烁的目标，接受刺激从而诱发出特定频率的SSVEP；③通过分析视觉皮层的脑电信号的频率特征即可确定受试者所注视的闪烁目标，进而转换为控制指令，实现大脑控制外界设备的目的，如图7.5所示。
图7.5 被试的信号识别过程（摘自《脑-机接口中空域滤波技术现状与进展》［4］）