脑-机接口（BCI）相关术语
连载(四)
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
第4节 BCI用户相关术语
除了与BCI直接和紧密相关的术语外，本节列出了与BCI用户相关的术语，包括BCI受试者（Subject）、严重运动功能障碍（Severe Motor Impairments）、BCI人因工程、BCI可用性（Usability of BCI， BCI Usability）、BCI用户满意度、BCI使用情况（BCI Utilization）、个性化BCI（Personalized Brain-Computer Interface）、BCI医学、BCI医学目标（Medical Goals of BCI）、BCI伦理和BCI转化医学。
BCI受试者是BCI的最初用户，可以是动物，也可以是人类个体。以用户为中心设计和研发BCI是BCI系统构建的原则，与BCI用户相关的术语极为重要。
4.1 BCI受试者（Subject）
在BCI实验研究中，受试者或被试是指参与实验的个体，他们通过大脑活动来控制设备或系统，以评估BCI技术的有效性和安全性。受试者可以是健康的志愿者，也可以是患有特定疾病的患者，如中风或脊髓损伤。受试者的参与对于理解BCI系统在实际应用中的表现、可靠性和用户体验至关重要。实验研究通常遵循伦理规范，确保受试者的知情同意、隐私保护以及参与过程中的安全性。参与BCI实验研究的受试者或被试可以看作是BCI的最初用户[19][30]。
4.2 严重运动功能障碍（Severe Motor Impairments）
严重运动功能障碍患者（Patients with Severe Motor Impairments）是BCI技术应用的主要目标群体。导致严重运动功能障碍的疾病主要包括但不限于以下几种。
4.2.1 脑卒中（Cerebrovascular Accident，CVA/Stroke）
脑卒中（CVA/Stroke）是导致严重运动功能障碍的最常见原因之一，俗称中风，BCI可用于中风后运动功能障碍主动康复训练[159-160]。
脑卒中是由于脑部血液供应中断或减少，导致脑组织缺氧、损伤和坏死的急性神经系统疾病。根据病因，脑卒中可分为缺血性卒中（如血栓形成或栓塞）和出血性卒中（如脑出血或蛛网膜下腔出血）。临床表现包括突发性偏瘫、言语困难、视力障碍和意识改变等，严重者可导致死亡或永久性功能障碍。脑卒中是全球致死和致残的重要原因之一，早期识别和及时治疗对改善预后至关重要。
4.2.2 肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）
肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种进行性神经退行性疾病，俗称渐冻症。ALS主要影响运动神经元，导致肌肉逐渐无力和萎缩，患者通常在发病后数年内失去自主运动能力，包括说话、吞咽和呼吸功能，最终因呼吸衰竭而死亡。ALS的病因尚不完全明确，可能涉及遗传因素、环境因素及免疫异常等。虽然目前没有治愈方法，但通过药物和支持性治疗可以延缓病程进展并改善生活质量。
BCI技术通过解码ALS患者大脑的神经信号，有望为其提供一种通信和环境控制手段，帮助患者维持一定程度的自主性和生活质量[161]。
4.2.3 脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）
脊髓损伤（SCI）会破坏大脑和身体之间的通信，导致四肢瘫痪或截瘫，俗称截瘫或瘫痪。脊髓损伤是由于创伤、疾病或其他病理原因导致脊髓的结构或功能受损，从而引起运动、感觉或自主神经功能的部分或完全丧失。SCI的严重程度取决于损伤的部位和程度，通常表现为不同程度的瘫痪、感觉丧失和其他神经功能障碍。常见的原因包括交通事故、跌倒、暴力伤害以及运动相关的事故。脊髓损伤的治疗和康复主要集中在减少初始损伤、预防并发症以及促进功能恢复。
BCI技术通过直接读取和解码SCI患者大脑的神经信号，有望为其提供了一种不依赖于脊髓的运动控制途径，帮助该类患者改善生活质量并恢复一定程度的自主性[162]。
4.2.4 脑瘫（Cerebral Palsy, CP）
脑瘫（CP）是一组由于大脑发育异常或损伤导致的永久性运动障碍，主要影响患者的姿势、肌肉协调和运动功能。脑瘫的症状可能包括肌肉僵硬、运动不协调、震颤等，并且可能伴有其他认知或感觉障碍。
脑瘫患者由于其运动功能的受限，常常难以控制常规的通信和控制设备。BCI 技术可能为脑瘫患者提供了一种通过直接利用脑活动进行通信和控制的方法，从而在一定程度上恢复其自主性和生活质量[163]。
4.2.5 多发性硬化（Multiple Sclerosis, MS）
多发性硬化（MS）是一种慢性中枢神经系统疾病，俗称硬化症或多硬化症，特征是免疫系统攻击髓鞘，即神经纤维周围的保护层，导致神经信号传输受损。随着MS疾病的进展，患者的运动功能和认知能力可能逐渐减弱，这使得他们在日常生活中需要更多的辅助设备。
BCI技术的发展有望为MS患者提供新的康复和辅助手段，帮助他们在疾病进展的各个阶段保持一定的自主性[164]。
4.2.6 闭锁综合征（Locked-in syndrome ，LIS）
闭锁综合征（LIS）是一种罕见的神经疾病，俗称锁闭综合征。LIS患者通常由于脑干损伤导致全身瘫痪，无法运动和发声，但意识和认知功能完全正常，通常只能通过眼球或眼睑的运动进行有限的交流。
由于LIS患者无法通过传统方式与外界交流，BCI技术为他们提供了一种可能的交流途径。通过直接读取和解码LIS患者的大脑信号，BCI有望帮助这些患者通过脑信号控制外部设备，实现交流、控制环境甚至进行康复训练[165]。
4.2.7 帕金森病（Parkinson's Disease ，PD）
帕金森病(PD)，俗称是震颤麻痹，是一种慢性进行性神经退行性疾病，主要影响运动控制，典型症状包括震颤、肌肉僵硬、运动迟缓和姿势不稳。该病的病理基础是中脑黑质多巴胺能神经元的逐渐丧失，导致多巴胺缺乏，从而影响运动功能。
BCI技术有望为PD患者提供潜在的辅助治疗手段。例如，BCI可以帮助该类患者通过脑信号控制外部设备，改善运动功能或辅助日常生活。此外，BCI还可以用于研究和监测PD的病理生理机制，以期开发新的治疗方法[166]。
4.2.8 阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）
阿尔茨海默病（AD），俗称老年痴呆或阿尔茨海默症，是一种神经退行性疾病，是导致老年痴呆的最常见原因。该病主要表现为记忆丧失、认知功能下降和行为改变，通常在老年人中发病。AD的病理特征包括脑内β淀粉样蛋白斑块和神经纤维缠结的形成，导致脑细胞损伤和死亡。由于AD的进展不可逆，目前的治疗主要是缓解症状，延缓病情进展。
BCI技术在AD中可能有应用价值，如帮助研究和监测疾病的进展，有望用于认知训练和脑功能恢复的研究[167-168]。
4.2.9 癫痫（Epilepsy）
癫痫（Epilepsy），俗称羊癫疯或羊角风，是一种由大脑神经元异常放电引起的慢性神经系统疾病，表现为反复发作的痉挛、意识丧失或行为异常。癫痫发作的形式多样，可能包括全身性发作或部分性发作，严重程度不一。癫痫的发作机制复杂，涉及遗传因素、脑损伤、感染等多种因素。
BCI技术在癫痫中的应用主要集中在发作预测和实时监控。通过监测癫痫患者的EEG信号，BCI可以帮助预测癫痫发作的时间，从而为癫痫患者提供预警，甚至通过神经调控技术（如电刺激）来阻止发作的发生。此外，BCI还可以辅助癫痫发作后出现严重功能障碍的患者[71]。
4.3 BCI人因工程
4.3.1以用户为中心的脑机接口设计（User-centred brain-computer interface design，UC-BCI Design）
UC-BCI Design充分考虑 BCI 人因工程要素，UC-BCI Design方法要在整个研发过程中以 BCI 终端用户为核心。首先分析 BCI用户的需求，根据此需求设计和研发 BCI 系统，并从用户的角度，采用 BCI 用户体验量表、BCI 有效性和效率来综合评价 BCI 用户的满意度。如果用户不满意，需要不断修正和改进 BCI 系统，直到BCI 用户满意为止或最终放弃设计的系统[139]。
4.3.2 BCI人因工程
BCI 人因工程是 BCI 由实验室研究向实际应用转化的关键理念和方法[140-141]。BCI 人因工程[142][143]研究 BCI 用户、BCI 硬件和软件、外部机器和环境四者之间的相互作用关系，这四者构成了BCI人因工程要考虑的要素[139]。
BCI 人因工程的目标是使处于不同使用条件下的BCI 系统设计更符合人的特点、能力和需求，实现终端用户、BCI 系统、环境之间的最佳匹配，最终获得安全、可靠和高效的 BCI 系统，也包括提高 BCI 系统的可用性和用户体验。BCI 人因工程的目标决定了 BCI 的设计和评价必须以用户为中心[4] [20] [118] [124] [144-146] [148-151] ，充分考虑 BCI 用户的生理和心理因素以及能力特性。
4.4 BCI可用性（BCI Usability）
BCI Usability包括有效性（Effectiveness）或准确率（Accuracy）、效率（Efficiency）或效用度量和脑力负荷。
4.4.1 BCI有效性（Effectiveness of Brain-Computer Interface, BCI Effectiveness）
BCI Effectiveness是BCI系统在实际应用中完成其预定任务或目标时的成功程度，主要由BCI准确率度量[112]。准确率是BCI系统在给定任务中识别或分类脑信号的正确率。通常以百分比表示，反映了系统对用户意图解码的精确度。有效性是评价BCI系统性能的首要和重要指标，特别是在用户能够有效地通过BCI系统执行控制或通信任务的情况下进行衡量[111]。
4.4.2 BCI效率（Efficiency of BCI， BCI Efficiency）
BCI Efficiency衡量的是BCI系统在操作和使用过程中，如何以最小的资源或时间投入实现最佳的操作结果[113]。BCI效率的评价主要采用信息传输率（Information Transfer Rate, ITR）[113]、效用度量和用户脑力负荷。
（1）BCI信息传输率（BCI-ITR）
BCI-ITR是衡量BCI系统性能的重要定量指标。它表示用户在一定时间内通过BCI系统向外部设备成功传递的信息量，通常以比特/每分钟（bits / per minute, bpm）为单位来表示，能够量化系统的信息传输能力。ITR综合考虑了BCI系统识别或选择的准确率、每次识别所需的时间，以及可供识别的选项数目，用于评估BCI的通信效率。ITR 通常由式（2）计算
其中，T为每次识别或选择的平均时间（秒），N为可供识别的选项数，P为识别的准确率，即正确识别的比例。表示在 N 个选项中选择一个选项所需要的信息量（以比特为单位）。表示选择正确时的信息量贡献。表示选择错误时的信息量贡献。1/T代表单位时间内能够完成的选择次数，从而将信息量转换为每分钟的信息传输率。
（2）BCI效用度量
BCI效用度量的一种方法是在线系统的有效性或准确度小于50%，BCI的效率较低，没有实际效用，此时的ITR值没有意义，令ITR值为0；在准确度大于或等于50%时，ITR值才有实际意义[115-116]。
?（3）BCI用户脑力负荷
在线BCI系统中，用户既是产生控制信号（脑信号）的源（其中枢神经系统），也是使用该系统的操作者[116]。用户在操控BCI系统时，其大脑需要承受一定?量的认知和心理负荷，这种负荷量为脑力负荷。脑力负荷与多种因素有关，取决于BCI应用的性质、任务的复杂性以及用户的经验水平。令用户满意的BCI系统应该使用户承受较小的脑力负荷，以提高用户的体验感和满意度[117]。通常采用美国航空航天局任务负荷指数（NASA Task Load Index, NASA-TLX）量表来评估用户操控BCI的脑力负荷。
4.5 BCI用户满意度
4.5.1 BCI用户满意度??
良好的BCI用户满意度是以用户为中心设计BCI的最终目标，较低的BCI用户满意度会严重影响BCI系统的应用推广，因此评价并提高在线BCI系统的用户满意度很重要[116]。在线BCI系统的满意度评价主要包括评价辅助技术（Assistive Technology，AT）满意度的一般方面、与BCI相关方面的满意度、整体满意度和满意度随访[20][118]。
BCI相关方面的满意度评价主要从可靠性、可学习性、速度和美学设计这四项指标来反映用户的满意程度[21]。除此而外，用户对BCI传感器满意度的评价非常重要，可从安全性、舒适度、美学性、易实用性和总体满意度5个方面进行评价[119-120]。
（1）BCI可靠性
BCI系统的可靠性是在规定的时间内、环境下，持续完成规定功能的能力，即系统无故障运行的概率，可采用平均失效率或平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures, MTBF）来衡量[119][121][123]。
BCI系统的可靠性受多种主要因素的影响，包括脑信号采集质量、脑信号处理算法、BCI系统的稳定性、系统校准的准确性、实时性、持久性、环境因素和用户因素等。
（2）BCI可学习性
BCI系统的可学习性是指用户学会使用BCI系统所需时间的多少[124-125]。用户通常需要花一定的时间和训练量来学会使用BCI系统，若大部分用户能快速学会使用该系统，则表明该系统可学习性良好，反之系统可学习性较差。BCI系统的可学习性受多种因素的影响，包括系统的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）设计和神经反馈训练等。
（3）BCI速度
BCI系统的速度通常指系统的响应时间，即系统从捕捉用户脑信号到系统执行特定操作或任务所需的时间[124]。BCI系统的速度包括数据采集、信号处理与分类、通信与控制以及神经反馈调节所需的时间。BCI系统的速度是一个重要的性能指标，尤其是在需要实时控制的应用时。与BCI系统速度相比，ITR衡量单位时间内传输的信息量[6]。
（4）BCI美学设计
BCI系统的美学设计指开发BCI系统产品时，用户界面设计和产品外观设计（特别是采集脑信号的传感器外观）的美学因素[127-129]。考虑到不同用户的审美喜好，BCI系统可提供一些个性化选项，以允许用户自定义界面。BCI系统的美学设计会影响用户的接受度、舒适性、体验感和用户满意度[116]。
（5）BCI安全性
BCI安全性是指BCI系统在操作过程中对用户的身体和心理健康造成伤害的程度，设备的使用引发不良反应、信息泄露或其他潜在的风险大小。确保良好的BCI安全性的方法包括：设备合规性，如使用符合医疗器械标准的硬件，确保设备安全可靠；数据隐私保护，如可采用加密技术和严格的数据管理策略，保护用户的脑信号数据不被泄露或滥用；用户培训与监控，如提供充分的用户培训，确保正确使用设备，并通过实时监控来防止任何不良反应的发生[130-131]。
（6）BCI舒适性（Comfort of Brain-Computer Interface, BCI Comfort）
BCI Comfort是指用户在使用BCI系统时的生理和心理舒适程度，包括设备佩戴的舒适性、操作的自然性、以及用户在长时间使用中的疲劳感和负担感。确保良好的BCI舒适性有助于提高用户的使用体验、操作效率和系统的整体有效性[132]。
为确保良好的BCI舒适性，可参照如下五个方面：设备设计，如可采用轻便、柔软、透气的材料，减少设备对皮肤的压力和摩擦，特别是用于佩戴的电极和头盔等设备；人机交互，如可优化用户界面和交互方式，使操作更为直观、自然，减少用户在学习和使用过程中的认知负担；信号采集技术，如可使用无创或微创技术，确保信号采集过程中不对用户造成不适或疼痛；个性化调节，如可根据不同用户的头部形状和大小，提供可调节的设备，以适应不同用户的需求；使用时间管理，如可建议用户合理使用BCI系统，避免长时间连续操作，以减少疲劳感。
4.5.2 BCI 用户体验感（User Experience of Brain-Computer Interface，BCI-UE）
BCI-UE是BCI用户满意度的一个重要方面。BCI-UE是用户使用BCI系统的切身感觉和经验。BCI-UE的评价有助于提高用户对BCI的接受度、提高系统的性能、增加愉悦感[116]。可采用观测分析（观察和记录用户行为以提供客观定性的数据）、神经生理测量（记录用户操控BCI时的脑信号、皮肤电反应和心电图等以提供客观定量的数据）、访谈法（提供主观定性的信息）和问卷调查（提供主观定量的信息）评价BCI-UE [133-135]。
4.5.3 BCI系统与用户的匹配性
BCI系统与用户的匹配性可采用AT设备倾向性评估（Assistive Technology Device Predisposition Assessment ，ATD-PA）设备问卷-初始消费者和专业人士问卷[136]来评价，该评估是基于人与技术匹配模型（Matching Person and Technology Model，MPT）设计的调查问卷的一部分[120][137] ，由12个项目组成[115][138]。要求受访的一级用户（最终用户/消费者）和二级用户（专业人员，包括专业用户/AT专家/研究人员））对其考虑使用的BCI系统的倾向进行评分。
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