腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)路線圖｜第八輯：績效評(píng)估和基準(zhǔn)測(cè)試

標(biāo)準(zhǔn)路線圖

BMI-standard

“腦機(jī)接口神經(jīng)技術(shù)組織”是由 IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）于 2017 年 5 月發(fā)起的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化行業(yè)連接（Standards Industry Connection）建議，它通過成立該組織來推進(jìn)腦機(jī)接口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。

該組織聚集了來自神經(jīng)科學(xué)家、研究機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)的利益相關(guān)者，致力于解決腦機(jī)接口領(lǐng)域現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的差異問題，以及提高研究者對(duì)該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化重要性的認(rèn)識(shí)。

《標(biāo)準(zhǔn)路線圖:腦機(jī)接口的神經(jīng)技術(shù)》正是這個(gè)小組的一份產(chǎn)出。它概述了腦機(jī)接口神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有、及正在制定的標(biāo)準(zhǔn)。除了回顧最新的標(biāo)準(zhǔn)化工作外，本文檔還報(bào)告了通過與社區(qū)成員進(jìn)行的在線調(diào)查收集的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作的意見，并就標(biāo)準(zhǔn)化的具體內(nèi)容的優(yōu)先級(jí)提出了一些建議。

接下來的一段時(shí)間，我們會(huì)與大家分享該文檔的節(jié)選。

Performance assessment

and benchmarking

腦機(jī)接口績效評(píng)估和基準(zhǔn)測(cè)試的最新技術(shù)

腦機(jī)接口的評(píng)估通常包括硬件和軟件評(píng)估。硬件包括采集設(shè)備、外形尺寸和電子設(shè)備，是評(píng)價(jià)腦機(jī)接口性能的關(guān)鍵部分。軟件主要涉及界面和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。迄今為止，還沒有一種正式的方法可以有效地評(píng)估單個(gè)元素的性能對(duì)腦機(jī)接口系統(tǒng)整體性能的影響。

數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)

數(shù)據(jù)采集硬件是腦機(jī)接口性能的重要組成部分，相關(guān)的評(píng)估方案很少，在實(shí)際應(yīng)用中一般依賴制造商提供的硬件規(guī)范。這個(gè)分類也可以聯(lián)系到傳感器的部分。

生理指標(biāo)

生理指標(biāo)雖然種類眾多，并不一定和腦機(jī)接口的性能直接相關(guān)。例如，較低的截止頻率僅與某些使用較低頻率的腦機(jī)接口應(yīng)用相關(guān)。另外，這些規(guī)范需要將實(shí)際采集的角度加入考慮：對(duì)于給定的耳機(jī)或電極組，放大器的輸入阻抗主要提供典型的電極間阻抗范圍。因此，應(yīng)當(dāng)通過實(shí)際采集評(píng)估采集設(shè)備的重要性。

盡管從業(yè)者最終的目的是量化一個(gè)系統(tǒng)測(cè)量有意義的神經(jīng)生理變化的能力，但這種能力會(huì)受到很多因素的影響，因此在對(duì)硬件解決方案進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)需要考慮大量可變性來源?？刂七@些變量的一種方法是在足夠多的受試者中控制一組變量，來體現(xiàn)個(gè)體間的變異性。例如，我們可以觀察特定的腦電情況，同時(shí)避開不受歡迎的變量，專注于觀察想要評(píng)估的變量(電子設(shè)備、電極等)。對(duì)于其他變量，可以得出類似的方法。

醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)控制，描述為瀑布設(shè)計(jì)過程

軟件基準(zhǔn)

軟件是腦機(jī)接口的重要組件之一，消耗了最多的資源，因此已經(jīng)擁有了非常廣泛的文獻(xiàn)比較方法和示例。為了簡化問題，人們已經(jīng)建立了腦機(jī)接口系統(tǒng)的處理步驟，并建議以下的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估程序執(zhí)行：

預(yù)處理技術(shù)：將一個(gè)波形變換為另一個(gè)具有相同維度的波形，以提高信噪比：在這種情況下，上面列出的生理指標(biāo)可以評(píng)估預(yù)處理的性能。

信號(hào)質(zhì)量指數(shù)：一種將波形作為輸入并提供單變量(或相同維度的多變量時(shí)間序列)二進(jìn)制輸出的方法，結(jié)果可以表明信號(hào)是干凈的或有噪聲的；同樣，上面列出的生理指標(biāo)可以用于評(píng)估性能。

一旦有了可靠的去噪且干凈的信號(hào)，它就會(huì)被轉(zhuǎn)換為映射大腦活動(dòng)的生理特征，應(yīng)用于下列場(chǎng)景：

空間中機(jī)械物體的控制：輪椅、機(jī)械臂、無人機(jī)、屏幕上的光標(biāo)等。

通信設(shè)備的控制：IEEEP300拼寫器、mCode應(yīng)用程序和連續(xù)應(yīng)用程序

對(duì)精神狀態(tài)的監(jiān)控：腦力勞動(dòng)、疲勞、工作記憶等。

操作員對(duì)一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行條件調(diào)節(jié)(神經(jīng)反饋)

對(duì)以上應(yīng)用而言，重要的是將用于映射方法(機(jī)器學(xué)習(xí)算法)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)腦機(jī)接口性能有影響的接口(BCI和神經(jīng)反饋設(shè)備)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分看待。

標(biāo)準(zhǔn)化的水平

腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能評(píng)估和基準(zhǔn)測(cè)試是標(biāo)準(zhǔn)化的首要任務(wù)之一，但目前仍然沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)。目前，對(duì)這些系統(tǒng)的評(píng)估工作均由單獨(dú)的工作組進(jìn)行，尚無統(tǒng)一的方法。

盡管在量化腦機(jī)接口獨(dú)立組成部分的性能方面已經(jīng)有了一些成果，但整個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)還沒有全面的標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)。如今，相關(guān)從業(yè)者正在開發(fā)腦機(jī)接口系統(tǒng)的基準(zhǔn)，比如公開標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，允許開發(fā)人員測(cè)試他們的方法。

相應(yīng)地，某些組織提出了新的倡導(dǎo)，希望能夠提供評(píng)估EEG信號(hào)質(zhì)量的方法，以及對(duì)多種腦機(jī)接口算法進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。一個(gè)有趣的案例是在2016舉行的腦機(jī)接口比賽。多個(gè)團(tuán)隊(duì)使用基于SMR的BMI來控制視頻游戲中的化身，各個(gè)團(tuán)隊(duì)競(jìng)相在最短的時(shí)間內(nèi)完成障礙比賽。這為這類系統(tǒng)提供了一個(gè)基準(zhǔn)任務(wù)。在這種系統(tǒng)中，績效與任務(wù)的總體完成情況內(nèi)在地聯(lián)系在一起，而不是只評(píng)估個(gè)別要素。

標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)先級(jí)的建議

目前，對(duì)于腦機(jī)接口系統(tǒng)的表現(xiàn)應(yīng)該如何評(píng)估，還沒有達(dá)成共識(shí)。有大量指標(biāo)來評(píng)估腦機(jī)接口的解碼元素，它們對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)性能的實(shí)際影響非常重要。當(dāng)下從業(yè)者們需要推動(dòng)供整個(gè)社區(qū)應(yīng)用的績效衡量標(biāo)準(zhǔn)的建立。制定一種標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)方法對(duì)于比較多個(gè)不同種類的系統(tǒng)至關(guān)重要。

部分已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

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