1. 前言

最近恰巧了解到BCI2000项目，她是由美国德克萨斯大学健康科学中心的 Gerwin Schalk博士和Jtirgen Mellinger博士及其团队于2000年左右开发的一个通用脑-机接口（BCI）平台。最初，BCI2000 旨在为脑电图（EEG）研究和BCI实验提供一个标准化、可扩展的工具， 方便科学家采集和处理脑电信号，并将其用于各类研究和应用场景中。该平台迅速发展，成为脑-机接口研究的主流工具，广泛应用于神经科学、康复治疗、神经反馈和其他相关领域。其开源的架构使得研究人员能够自由修改代码、扩展新功能，并且适配各种硬件设备和信号处理算法。

2. 架构模块

BCI2000_New_Schematic_Extra_Large.gif

根据上面官方原理图可以看出，其内部一共分为四大核心模块，然后核心框架高度抽象地把他们融合在一起，实现灵活扩展、进程分离：

2.1. Source Module（信号源模块）

采集脑电或其他生理信号。比如：EEG采集设备如Biosemi可以作为Source Module，接收实时的EEG信号输入。

由于信号都是其他厂家的外部硬件负责采集，故在src\contrib\SignalSource目录下，有外部贡献的44种信号源。

这里是采集信号的波形图：

波形图

2.2. Signal Processing Module（信号处理模块）

处理和分析采集到的信号。举例：BCI2000的处理模块可以通过滤波和特征提取来分析特定的脑电波，如α波和β波，进而将这些信息转换为BCI的控制信号。

这是BCI科学中的核心部件，为科研工作者提供分析脑电信号的手段：

src\shared\modules\signalprocessing目录下，有官方贡献的25种。 Official_SignalProcessing

src\contrib\SignalSource目录下，有外部贡献的14种。 Third_SignalProcessing

2.3. User Application Module（用户应用模块）

基于处理后的信号控制外部应用程序或设备，这些模块让BCI2000成为一个灵活的脑机接口平台，能够适应不同实验需求和应用场景。

简单的说，是一些读心术的经典应用，比如：

2.3.1. CursorTask (光标控制任务)

  • 功能：该模块实现了一个基于脑电信号的光标控制任务，用户可以通过脑电信号控制屏幕上的光标移动。
  • 应用场景：用于研究脑控界面的性能、基于想象运动的光标控制等任务。
  • 例子：用户通过想象手的运动，控制光标向左或向右移动，完成特定目标任务。

2.3.2 FeedbackTask (反馈任务)

  • 功能：该模块实现了实时反馈机制，可以根据用户的脑电信号输出特定反馈（如声音、视觉反馈）。
  • 应用场景：用于用户的脑状态评估和适应性反馈调整，如在认知任务中，评估专注度并给出相关反馈。
  • 例子：当用户保持高集中注意力时，系统会显示绿色光标，注意力降低时光标会变红。

2.3.3. P300Speller (P300拼写器)

  • 功能：这是基于 P300 事件相关电位的拼写任务模块。用户通过选择字母矩阵中的字符进行脑控输入。
  • 应用场景：主要用于帮助失去语言表达能力的患者进行文字输入。
  • 例子：用户通过注视某一字母，系统通过检测 P300 信号来确定用户的选择，从而实现文字的拼写。

2.3.4. StimulusPresentation (刺激呈现任务)

  • 功能：这个模块可以控制呈现给用户的视觉或声音刺激，并记录用户的脑电反应。
  • 应用场景：用于事件相关电位（ERP）的实验，如研究特定刺激对脑电信号的影响。
  • 例子：向用户呈现闪烁的图像，并记录大脑对这些图像的反应以研究注意力或感知能力。

2.3.5. RoboArmControl (机器人手臂控制)

  • 功能：该模块通过分析用户的脑电信号来控制外部设备，例如机械手臂。
  • 应用场景：可以应用于残疾人辅助技术，通过脑控机械手臂进行日常任务的完成。
  • 例子：用户通过想象手臂的运动，来控制机器人手臂抓取和放置物体。

2.3.6. SoundFeedback (声音反馈任务)

  • 功能：根据脑电信号生成音频反馈，常用于训练用户如何利用脑信号进行控制。
  • 应用场景：如通过脑电信号调节声音的频率和音量，以帮助用户更好地控制自己的脑信号。
  • 例子：当用户放松时，音调变得柔和，当用户集中注意力时，音调变得更高亢。

2.3.7. BrainSwitch (脑开关任务)

  • 功能：通过脑电信号控制“开关”状态，即基于用户的脑电活动决定是否触发某个操作。
  • 应用场景：用于简单的二进制任务，如开关电器或启动系统功能。
  • 例子：通过想象特定动作，用户可以控制灯光的开关。

2.4. Operator Module（操作模块）：

提供图形用户界面，用于配置和控制BCI2000的运行。由于上述模块都有很多种、每个都是独立的进程，所以在你的科研环境中，需要编写BAT配置好期望运行的每一个进程以及参数。

操作模块打开后如下图：

Operator

点击Config将会有很多参数，他们可以保存到本地文件，也可以加载进来。

3. 模块间通信

SoftwareList

业务相关的进程由以下三种进程组成：

  • Source Process（信号源进程）：与硬件设备连接，采集生理信号。
  • Processing Process（信号处理进程）：对接收到的信号进行处理，如滤波、特征提取等。
  • Application Process（应用进程）：基于处理后的信号执行具体操作，如控制设备或应用程序。

这些进程通过 TCP/IP 通信协议相互交互。数据从 Source Process 采集信号，传递给 Processing Process 处理，再传递到 Application Process 执行应用。而Operator Module负责配置并启动这些进程，管理参数。

4. 开源

BCI2000是开源软件，采用CPP编写，CMake构建。采用GPL许可证，允许自由使用、修改和分发软件，但任何衍生作品也必须在同样的GPL许可证下发布。这意味着改进和修改后的版本也必须保持开源，并提供源代码。

5. 信号源模块的代码

  1. 上述4个模块，通过一些基础的类框架，粘合在一起。
  2. 每个信号源模块，通过字符串来描述自己有哪些参数可配置，然后操作模块会据此生成对应的GUI。但是这个解释型的字符串语法本身，不太自然。
  3. 每个信号源模块，通过实现父类中的关键API来融入到高度抽象的框架，编写都可以编译成独立软件，从而进程分离、解耦，这一点在信号数据量本就不大的前提下，很棒。

6. 比较

EEGSoftwareCompare

7. 总结

BCI2000作为通用的BCI平台，支持各种生理信号采集设备和自定义算法，适用于BCI研究、神经康复等多个领域。与其他类似软件相比，BCI2000具有极高的灵活性，能够轻松适配多种硬件设备，且开源的特点为研究人员提供了自由的开发环境。

8. 其他

盛大的陈天桥大佬也进入了脑科学领域，和加州理工学院合作成立了陈天桥雒芊芊脑科学研究院，并投资Synchron公司和NeuroXess(脑虎科技)。