脑机接口人因工程及应用-以人为中心的脑机接口设计和评价方法

脑机接口人因工程及应用：以人为中心的脑机接口设计和评价方法【摘要】脑机接口（BCI）是一种变革性的人机交互，目前正朝智能脑机交互和脑机智能融合方向发展。然而，BCI的实用化面临极大的挑战，BCI技术成熟度尚未能满足用户的需求，BCI的传统设计方法有待改进。BCI人因工程对缩小研究与实际应用之间的差距具有重要的作用，但目前尚没有引起足够的重视，也没有专门的深入论述。本文针对BCI人因工程，阐述以人为中心的BCI设计需求（来自用户）、设计思想、目标和方法以及评价指标。BCI人因工程可望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，提升系统的用户满意度，增强用户体验感，提高BCI的智能化，使其走向实际应用。【关键词】脑机接口；人因工程；脑机接口人因工程；以人为中心的脑机接口设计；脑机接口满意度Humanfactorsengineeringofbrain-computerinterfaceanditsapplications:Humancenteredbrain-computerinterfacedesignandevaluationmethodology【Abstract】Brain-computerinterface(BCI)isarevolutionizinghuman-computerInteraction,whichisdevelopingtowardsthedirectionofintelligentbrain-computerinteractionandbrain-computerintelligentintegration.However,thepracticalapplicationofBCIisfacinggreatchallenges.ThematurityofBCItechnologyhasnotyetreachedtheneedsofusers.ThetraditionaldesignmethodofBCIneedstobeimproved.ItisnecessarytopayattentiontoBCIhumanfactorsengineering,whichplaysanimportantroleinnarrowingthegapbetweenresearchandpracticalapplication,butithasnotattractedenoughattentionandhasnotbeenspecificallydiscussedindepth.AimingatBCIhumanfactorsengineering,thisarticleexpoundsthedesignrequirements(fromusers),designideas,objectivesandmethods,aswellasevaluationindexesofBCIwiththehuman-centred-design.BCIhumanfactorsengineeringisexpectedtomakeBCIsystemdesignunderdifferentuseconditionsmoreinlinewithhumancharacteristics,abilitiesandneeds,improvetheusersatisfactionofBCIsystem,enhancetheuserexperienceofBCIsystem,improvetheintelligenceofBCI,andmakeBCImovetowardspracticalapplication.【Keywords】brain-computerinterface;humanfactorsengineering;humanfactorsengineeringofbrain-computerinterface;human-centredbrain-computerinterfacedesign;satisfactionofbrain-computerinterface引言脑机接口（brain-computerinterface,BCI）是一种颠覆传统人机交互的技术［\o"CurrentDocument"1-2］,其目的是在人脑和机器（包括计算机）之间建立直接的通信和控制通道［3-4］，为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量。目前及未来，BCI是国际重大前沿研究热点，正朝智能脑机交互和脑机智能融合方向发展。然而，目前BCI的实用化正面临极大的挑战56】，如BCI相关产品用户体验感较差、满意度较低I7-9】，BCI技术的成熟度还远远不够。传统的BCI研发主要聚焦提高解码精度和速度单一方面的指标［1°】，没有充分考虑BCI人因工程［11-12】。BCI设计和评价要以人为中心［7-10>13-201，充分考虑BCI用户的生理和心理因素以及能力特性，如\o"CurrentDocument"图1所示。该图表明了BCI人因工程、BCI系统与人的关系。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［5-6】。本文针对BCI人因工程，根据BCI系统的目标，以人为中心，提出了BCI人因工程的目标，进而论述了以人为中心的设计和评价方法，包括BCI人因工程要素；接着阐述了BCI人因工程的另外一个要求，即BCI系统的智能化，并介绍了人脑、BCI与人工智能（artificialintelligence，AI）的关系以及BCI的发展趋势。此外，概述了BCI人因工程的其他事项，包括BCI研图1BCI人因工程图1BCI人因工程、BCI系统与人的关系Fig.1TherelationshipbetweenBCIhumanfactorsengineering,BCIsystemandpeopleBCI系统BCI人因工程人发的医学伦理、BCI产品用于治疗和康复的相关医疗器械注册证和生产许可证以及市场准入、BCI相关医疗产品用于治疗和康复的医保报销政策。最后，介绍了BCI的应用前景和商业价值。期望本文可以为推动BCI技术相关产品走向实际应用提供思想和方法借鉴。1BCI人因工程BCI定义及其目标BCI是一种绕过外周神经和肌肉，通过采集并分析脑信号实现用户大脑直接与外部设备实时交互的通信或控制系统［\o"CurrentDocument"1-2】。BCI的一个重要目标是为严重运动障碍（如肌萎缩侧索硬化症、脊髓损伤、截瘫）的人或其他患者提供与外界交流的工具，以改善他们的生活质量［21-221o除此以外，BCI也为健康人提供更多与外界交互的方式，以进一步提高生活质量［231o随着BCI技术的不断发展，BCI应用的广度和深度也在扩展，除了可用于医学领域的预防、治疗和康复（如运动功能障碍康复）外，在非医学领域的应用也有了长足的进展，如增强正常人的感知觉、认知和行为表现，监测个体的生理和心理状态（如脑力负荷、情绪状态、睡眠状况），提供娱乐（如游戏），这些应用有望在未来的日常生活中普及［23】。BCI除了上述民用的研发目标外，还有不少军用的研发项目，可以战略性地用于军事目的，如脑控武器等。BCI人因工程定义及其目标BCI系统由人这一生物系统、BCI信号采集系统、BCI信号处理和解码系统、外部的机器系统、神经反馈系统和环境系统组成，如\o"CurrentDocument"图2所示。BCI系统的这些子系统是相互作用的，集成在一起成为一个有机的系统。因此，BCI系统中充分体现了人、机器和环境之间的相互作用关系。BCI系统涉及了人脑的结构和功能可塑性、个体的生理和心理状态等，这些要素构成了BCI人因工程的基础。BCI人因工程研究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。BCI系统的最终目的是为人类服务，进一步提高人类的生活质量,BCI人因工程要求以人为中心设计和研发BCI系统，提高BCI系统中人的工作效率和质量且确保人的安全、健康和舒适等目标［121o环境系统图2基于BCI的脑控轮椅系统示意图Fig.2SchematicdiagramofbraincontrolledwheelchairsystembasedonBCI如前所述，BCI的研发不仅为严重运动残疾人士服务，改善该类人群的生活质量，而且也为正常个体和人群服务，进一步提高他们的生活质量。BCI的这些目标及应用决定了BCI人因工程的目标一一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的设计和研发必须以用户为中心［10］，如\o"CurrentDocument"图3所示。1.3以人为中心的BCI设计和评价方法1.3.1BCI人因工程要素BCI人因工程要素如\o"CurrentDocument"图4所示，最核心的要素是BCI用户和BCI软硬件要素，以外还包括智能化的外部设备和智能化的环境。在BCI人因工程中，不同的用户有不同的需求，需要针对特定用户进行个性化的BCI设计和评价，也要考虑用户的能力和状态变化。就BCI硬件而言，BCI传感器的安全性、舒适度和美学性至关重要，在很大程度上决定了用户是否选用BCI产品；就BCI软件而言，脑信号处理与解码的精度和速度也极为重要，决定了BCI系统的有效性和效率，严重影响BCI的可用性；就BCI心理任务而言，其难易程度及引起对用户的副作用（如疲劳），决定了BCI系统的易学性，会严重影响用户体验。为使BCI得到广泛应用，便于组建BCI应用系统,需要BCI与外部设备之间具备通用接口。考虑到目前BCI并不智能，甚至有些“笨”，还需要其控图3BCI目标、BCI人因工程目标与以人为中心的BCI设计方法之间的关系Fig.3TherelationshipamongBCIobjectives,BCIhumanfactorsengineeringobjectivesandhuman-centeredBCIdesignmethods制的外部设备具有一定的智能化，也需要具有一定智能性的环境。需要特别说明的是，在BCI人因工程要素中,BCI传感器和放大器对BCI转化为实际应用具有重大的影响。对BCI传感器，要求尽可能采集到高质量的脑信号，同时，必须以用户为中心，提高用户体验感和满意度。虽然也需要提高BCI传感器的电磁兼容性、无线传输距离和电量维持时间，但更为重要的是确保BCI传感器的安全性、舒适感、美学性和易使用性。对于无创BCI传感器，其可穿戴

图4BCI人因工程要考虑的要素Fig.4ElementstobeconsideredinBCIhumanfactorsengineering性和人体工程学需要精心设计［7】。目前仍然使用的凝胶电极准备时间长，不易使用，凝胶使得舒适感较差，脑电帽的美学性也较差。而干电极或近红外探头会压迫头部，产生疼痛感（特别是电极或探头数量较多时），且采集的脑信号质量尚需要进一步提高。此外，盐水电极易挥发，不易长期使用,而柔性电极采集信号的质量也需要进一步提高［10,15,24-27］。对于有创BCI传感器，首先要确保其安全性，包括手术植入电极的安全性，避免脑损伤和感染，必须以一种适当的几何形状来排布记录位置，以便在插入过程中以及传感器后续留在组织中时最大限度地减少组织损伤，另外，出于使用需要应包含更多的记录点，较多数量的记录位置会获取更多有效信号，但太多的电极会产生大量的组织损伤，因此需要做出权衡［21-22］；其次，需要充分考虑植入电极后用户的感受（包括舒适感），避免疼痛感；此外，还需要提高有创BCI传感器的易使用性，确保能够长期可靠地采集到符合要求质量的信号（提高生物相容性），如果传感器失效，应该便于更换［7］。目前，BCI图4BCI人因工程要考虑的要素Fig.4ElementstobeconsideredinBCIhumanfactorsengineering在BCI人因工程因素中，操控BCI的心理任务对潜在BCI用户是否接受和喜欢使用BCI系统也具有重要的影响。对操控BCI的心理任务优化设计（BCI范式选择和设计），要求心理任务尽量简单（适合用户，为用户认可和接受，甚至喜欢）、自然（日常生活中经常执行的心理任务）和舒适（避免容易疲劳的任务）以减轻脑力负荷，能够诱发差异显著、可分性好的脑信号特征以避免BCI无效［14-28-29］o为此，需要根据用户的能力特性来设计驱动BCI的心理任务，要考虑任务是否使用户满意。对基于运动想象（motorimagery，MI）的BCI（MI-BCI），没有运动想象能力或经过训练后能力仍然较低的用户，不建议使用该类BCIo对基于稳态视觉诱发电位（steady-statevisualevokedpotentials，SSVEP）的BCI（SSVEP-BCI）和P300-BCI，虽然它们通常训练时间较短［7>30-31］，但P300-BCI中新颖的闪光模式和刺激对眼球运动受限的用户无效［32-33］,而SSVEP-BCI频率过低的闪光刺激可能会使用户眼睛疲劳或诱发癫痫等56】。此外，还要注意非透明映射(心理任务和控制命令之间不一致)可能会导致自主意识的改变，从而影响用户脑机交互时的表现。为此,在设计BCI范式时，要使心理任务自然地与BCI控制的任务相一致凹34-35】。此外，脑信号处理与解码算法是BCI系统的关键技术之一，在较大程度上影响了BCI的有效性和效率，从而影响了用户的体验感和满意度，因此也是BCI人因工程的重要因素。对于BCI脑信号处理与解码算法，首先应确保该算法的正确性，同时尽可能降低其时间复杂度和空间复杂度，提高算法的易读性和健壮性，解码算法指标可以采用准确率、精确率、召回率、接收者操作特性(receiveroperatingcharacteristics，ROC)曲线、曲线下面积(areaundercurve，AUC)值、F值、P-R曲线。此外，BCI操作需要两个自适应控制器(BCI用户和BCI解码算法)的有效交互［2。］。这要求BCI解码算法具有协同自适应学习的能力，使机器得以学习并适应BCI用户，与BCI用户共同进化36-42］，进一步提高BCI系统的精度和鲁棒性。为在一定程度上减轻BCI用户的学习或训练量，可以引入迁移学习算法等。除了BCI解码算法外，在满足BCI产品功能的基础上，需要设计友好的图形用户界面(graphicaluserinterface，GUI)，如符合用户习惯和审美的菜单，包括文本、图标布局和反馈界面，也考虑使用者的文化水平和学习能力等，一个非语言的、形象简单的图标菜单是BCI系统输入的更好选择"。如前所述，BCI旨在直接脑控外部设备，然而目前的BCI系统并不智能，为增强BCI控制系统的可用性，提高用户的体验感和满意度，需要被控的外部设备具有一定的智能性。其中一种方法是引入共享控制，即BCI用户可以输入高级的目标指令，然后由外部智能设备辅助完成某些具体的控制过程，如基于共享控制的机器人和轮椅可以执行智能化动作(如智能避障，拒绝无意义的心理命令)，基于共享控制的智能虚拟键盘提升了拼写速度［5-6,43-48］。共享控制降低了BCI用户的认知工作量，进而实现可靠、高效和用户体验度高的BCI产品。除上述要素外，还需要注意BCI用户、BCI系统(硬件、软件和神经反馈)和外部装置是位于一个现实的环境之中，考虑到目前BCI系统并不智能，可能需要BCI运行的环境具有一定的智能性。目前，多数BCI系统的研发是在控制良好、结构化的实验室环境中进行的，然而终端用户操控BCI的环境是非控制、非结构化的，噪声更大、干扰因素更多，用户更难集中注意力，且动态性更大，会导致脑信号发生剧烈变化。因此，基于实验室环境的BCI在现实环境中可能会失败［7］，这要求BCI系统具有理解和适应环境的能力，也要求被控的外部设备具有理解环境的能力，而且BCI运行环境可能需要配备智能传感器网络［49］。如在BCI控制的轮椅和电器智能家居系统中加入智能传感器网络，多个路径点被放置在整个房子里，当屋内的传感器检测到用户处于一个与可控设备相对应的路径点时，它向MI-BCI提供相应控制操作［50］。基于智能环境理解技术的康复医院环境控制系统，智能环境理解模块用于建立系统与场景信息的映射关系，检测当前环境中潜在的操作对象，建立对用户控制意图的初步预测。它们都能提高系统吞吐量，减少人们心理任务工作量，从而提升BCI用户体验感［51］o1.3.2以人为中心的BCI设计方法考虑BCI人因工程要素，以人为中心的BCI设计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。为实施以人为中心的BCI设计方法，快速研发满足终端用户的BCI系统，我们把软件工程中的快速原型法(rapidprototyping)引入到BCI系统的研发中［52-53］，如图5所示。在确定潜在BCI用户的基本需求信息时，具体包括如下方面：BCI用户的基本需求。不同的BCI用户需求不一样，如果是肌萎缩侧索硬化症患者，与他人交流困难，生活难以自理，如果是高位截瘫患者,虽然可以正常交流，但其四肢瘫痪，肢体的感觉运动、反射完全消失，生活也难以自理，这些患者需要辅助技术弥补与外部世界通信/控制的障碍；如果是健康个体，在特定情况下可能需要监测心理状态或者解码隐秘的用户状态［23］。BCI用户的能力特性和状态特征。能力特性包括人体参数和生物力学特性、认知和决策能力、操作控制能力，会影响操控BCI的能力。例如,年轻人通常能够使用基于计算机的设备，但对于那些从未使用过计算机的老年人或文盲用户，即使是简单的系统也可能不会使用［13］。BCI用户的状态特征包括情绪、工作负荷和人因可靠性等。Blain-Moraes等认为，疲劳、焦虑、不适和对技术的态度等对BCI接受度有很大影响"。例如，害怕和笑会干扰脑电响应，产生噪音，而沮丧和焦虑会导致注意力分散，无法正常产生所需的脑信号，这些状态会显著地削弱BCI的有效性U3］。BCI用户的能力特性和状态特征可以确定潜在用户的可用性。（3） BCI应用类型。可能是通信类应用，如文本输入、上网和发邮件等，也可能是控制类应用，如脑控轮椅等，或者是身心康复/调节等，研发者需要理解和明确BCI使用场景。（4） 确定BCI范式。如MI-BCI、P300-BCI、SSVEP-BCI等，这些范式是驱动BCI的心理活动或诱发的用于通信或控制的脑信号成分。（5） 确定BCI传感器类型。如可选择采集脑电、功能性近红外光谱、脑磁、皮层脑电和尖峰脉冲等信号的传感器。（6） 估计BCI系统研发的成本。在确定BCI用户的基本需求时，设计者与目标用户通过交互完成。根据上述确定的BCI用户基本需求开发BCI初始原型（初始的BCI硬件和软件功能），从而得到BCI初始原型；然后目标BCI用户使用BCI原型系统并进一步澄清用户的需求，如诊断、需求、愿望、环境约束、售后服务、维护和远程支持［14］；接着根据用户需求评价BCI设计，采用标准化的指标，如BCI可用性、BCI满意度、日常使用、开放问题、用户随访以及与应用相匹配的问卷调查表等以14］,其中BCI的可用性包括BCI有效性（选项的正确率）和BCI效率［如信息传输率（infor-mationtransferrate，ITR）和脑力负荷］。除此而外，也要评价BCI设计者的满意度，以及其他利益相关者的满意度。在进一步澄清用户的需求和评价BCI用户满意度的时候，由设计者与目标用户共同完成。经过上述评价，如果开发的BCI系统不满足用户的需求，一种策略是放弃，另外一种策略是继续运行BCI原型，按照满意度评价结果予以修正和改进，从而获得改进的BCI原型（完善的BCI软硬件功能），然后进一步评价BCI用户的满意度，进行迭代。如果改进的BCI原型使用户满意，可以把BCI原型作为应用系统或应用系统开发的基础。综上所述，BCI人因工程贯彻以人为中心的设计方法，以用户满意为目标，遵循\o"CurrentDocument"表1所示的国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）定义的原则设计BCI系统。因此，BCI人因工程强调用户参与BCI设计全过程的重要性，从BCI用户需求和愿望的初步分析开始，选择最适用的外部设备，最后以系统实施结束［5-6］。将以人为中心的设计原则贯穿到BCI设计过程中时，可以做如下考虑：（1） 理解并明确使用场景。BCI在神经康复、辅助设备控制、教育、军事、娱乐、智能家居等方面有着广阔的应用前景。在产品设计前，需要对相关产品进行信息收集和分析，了解BCI市场需求，确定产品的应用方向，并对相关用户进行访问和调查，定位目标人群［5-6］o（2） 分析用户需求。利用获取的用户需求定义产品的功能并探索产品的形态，这对后期产品开发具有指导意义。以上可通过问卷和半标准化的访谈来实现，询问终端用户对实际的脑控设备在各个方面的满意程度。如果BCI控制的应用是针对通信，则有效性和效率至关重要，而当以娱乐为目标时，可能会更专注于设计和其他小工具，因为用户对它们的容错率较高［5-68-10-54］。（3） 为用户提供设计解决方案。首先根据（2）中得到的需求设计模型，然后选择健康受试者对初步模型进行测试和评价。最后，通过迭代改进上一个模型版本，最终的原型有望成为一个可根据患者需求个性化定制的通用设备［5-6>8］。1.3.3以人为中心的BCI评价方法BCI人因工程要求以人为中心设计BCI，该设计过程是一个包含了BCI评价的迭代过程，如\o"CurrentDocument"图5中灰色框所示。与传统采用单一角度（如准确率和信息传输率）评价BCI用户体验感的方法不同，现采用以人为中心的BCI评价方法［10］，即考虑BCI产品的使用环境，在传统定量评价的基础上，结合BCI传感器总体满意度表、BCI系统满意度评价表、视觉模拟量表（VisualAnalogueScale，VAS）、用户操控BCI的脑力负荷评价量表（NASA-TLX）和面谈/随访等共同评价用户满意度，下面将详细阐述。表1国际标准化组织（ISO,2010）定义的以人为中心的设计原则Tab.1Principlesofhuman-centred-designdefinedbyInternationalStandardsOrganization（ISO,2010）国际标准化组织（ISO）定义的以人为中心的设计原则 1对用户任务和环境要求有清晰的理解2鼓励用户尽早、积极地参与3以用户为中心的评价驱动和改进4迭代开发阶段，识别最优设计方案5整合整个用户体验6鼓励多学科设计

图5BCI系统研发的快速原型法示意图Fig.5SchematicdiagramofrapidprototypingmethodforBCIsystemdevelopment对于潜在的BCI终端用户来说，用户体验感至关重要，决定了用户是否愿意使用或购买BCI产品。在BCI系统中，传感器极为关键，是BCI实用化的一个瓶颈，在很大程度上决定了BCI系统的性能（采集信号的质量）和用户的可接受性。BCI用户可从安全性、舒适度、美学性、易使用性和总体满意度5个方面对使用过的BCI产品的传感器进行评价。\o"CurrentDocument"表2是某次实验用户对所使用BCI传感器满意度评价示例。表中5个方面的评价等级范围从最低等级（用1表示）到最高等级（用5表示），x表示本次实验用户未使用过该类型的BCI传感器，故未做评价。图5BCI系统研发的快速原型法示意图Fig.5SchematicdiagramofrapidprototypingmethodforBCIsystemdevelopment除了对BCI传感器的评价外，BCI总体满意度还包括其他评价方面，如可参考用户对辅助技术满意度评价表Quest2.0及其扩展表［8>10>55-56］设计BCI系统满意度评价表，如\o"CurrentDocument"表3所示，由用户分别对舒表2某次实验用户对所使用BCI传感器满意度评价示例Tab.2AnexampleofusersatisfactionevaluationoftheBCIsensorusedinacertainexperimentBCI传感器类型评价等级安全舒适美学易使用总体满意度无创的BCI传感器脑电（头皮表面）传感器 导电凝胶电极53333生理盐水电极54344干电极53454近红外光谱传感器 发射和接收探头53444脑磁传感器 非接触式测量磁场强度传感器XXXXX其他无创BCI传感器XXXXX有创的BCI传感器皮层（表面）脑电传感器 铂电极阵列XXXXX皮层内脑电传感器（尖峰脉冲、场电位）多电极阵列XXXXX多位点电极XXXXX锥形电极XXXXX微丝（线）阵列XXXXX其他有创BCI传感器XXXXX表3BCI系统满意度评价项目Tab.3BCIsystemsatisfactionevaluationitem评价项目 评价项目说明1请问您对目前使用BCI设备舒适度的满意度如何？2请问您对目前使用BCI设备尺寸（长、宽、高）的满意度如何？3请问您对目前BCI设备是否容易使用的满意度如何？4请问您对目前使用BCI设备能否辅助或其成效的满意度如何?5请问您对目前使用BCI设备是否容易安装与调整的满意度如何？6请问您对目前使用BCI设备安全性的满意度如何？7请问您对获取BCI设备服务渠道与获取效率的满意度如何？8请问您对目前使用BCI设备重量的满意度如何？9请问您对目前使用BCI设备可靠性的满意度如何？10请问您对目前使用BCI设备响应时间的满意度如何？11请问您对目前使用BCI设备是否容易学习的满意度如何？12请问您对目前使用BCI设备外观的满意度如何？13请问您对医疗人员提供BCI设备专业服务的满意度如何？14请问您对目前使用BCI设备的坚固耐用性的满意度如何？15请问您对目前使用BCI设备的维修服务满意度如何？BCI传感器的舒适度、心理任务（SSVEP、P300、MI等）的舒适度如何？BCI传感器和放大器的尺寸，是否超微型化或便携？BCI的图形用户界面（GUI）是否简单形象易使用，心理任务（如运动想象等）是否易完成？SSVEP-BCI、P300-BCI、MI-BCI完成任务的准确率或成功率如何？BCI系统的软硬件是否易安装与调整？具体可包括传感器是否易穿戴和调整，放大器参数设置、BCI软件是否易安装和设置，BCI与外部设备是否容易通信接口。有创BCI传感器的安全性如何？BCI控制系统的安全性如何？如脑控轮椅的避障能力等。获取BCI售后服务渠道和服务效率，包括能否独立家庭使用BCI，尽量减少依赖BCI技术支持。BCI传感器和放大器是否超轻？BCI系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力如何？如可靠度、失效率和平均故障间隔时间。BCI系统的快速性如何？具体ITR是多少？BCI系统的操作是否易学？具体包括BCI图形用户界面（GUI）和心理任务是否易学。BCI系统的图形用户界面（GUI）和传感器是否美观？对于BCI传感器：是否隐蔽，与视觉审美是否相匹配？对BCI的临床应用，需要评价医疗人员的专业服务质量如何。BCI传感器和放大器的坚固耐用性如何？BCI系统出故障或维护的频率以及维修服务的质量如何？包括易联系性和维护效率。16请问您对医疗人员所提供的后续BCI设备咨询与追踪服务的满对BCI在后续日常生活中使用，需要评价医疗人员的后续服务质量如何。意度如何？注：参考了用户对辅助技术满意度评价表Quest2.0及其扩展表底10,55'56］适度、尺寸、易用性、有效性、易安装调整性、安全性、服务质量、重量、可靠性、实时性（快速性）、易学性和美学性进行评价，评价分为非常满意、满意、一般、不满意、非常不满意五个等级。其中尺寸和重量与BCI的便携性相关。\o"CurrentDocument"表3中13-16项（医疗人员提供BCI设备专业服务、BCI设备的耐久性、BCI设备的维修服务和BCI设备后续咨询与追踪服务）可用于用户使用的最终BCI产品的评价指标，这4个指标不足以在研发过程中评价BCI控制应用［10］o\o"CurrentDocument"表3中1~12项可用于\o"CurrentDocument"图5中的BCI满意度评价环节［8>10］，1~16项可对用户使用BCI产品的整体满意度进行评价。需要注意的是：①BCI系统满意度评价表在具体应用中可结合定量评价方法，用户对\o"CurrentDocument"表3中第4、9、10项的主观评价需要研发人员与准确率、失效率、平均故障间隔时间和ITR等定量指标相结

合，具体见讨论部分；②对用于临床的BCI设备,BCI设备生产商、医疗人员和BCI用户之间需要交互；对于非临床的BCI设备，BCI设备生产商、销售商和BCI用户之间也需要交互。BCI系统满意度评价表项目较多且用时较长,不便在快速原型研发迭代过程中对不同用户试用BCI原型完成不同任务（同一个BCI产品完成不同功能的任务）时评价满意度。为此，可采用简单快速的VAS来评价用户使用BCI设备的满意度，如\o"CurrentDocument"表4所示［5-6，项，表中不同用户在操控BCI完成不同任务时的满意度范围从“不满意（1）”到“绝对满意（1。）”。上述量\o"CurrentDocument"表2~\o"CurrentDocument"4不包含对用户操控BCI系统的脑力负荷评价，然而，BCI系统是直接由用户的脑信号控制的，用户在使用BCI时需要承受一定的脑力负荷，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。因此，在以人为中心的BCI设计和评价方法中，需要评价用户操控BCI的脑力负荷，我们采用美国航空航天局任务负荷指数量表（NASAtaskloadindex，NASA-TLX）来评估用户的主观工作负荷，如\o"CurrentDocument"表5所示。在\o"CurrentDocument"表5中，用户操控BCI的脑力负荷评价包含6个维度：脑力（心理）需求、体力（生理）需求、时间需求、努力程度、绩效（性能）水平以及挫败程度［5-6,8,57-58］通过\o"CurrentDocument"图5的BCI快速原型开发以及\o"CurrentDocument"表2~\o"CurrentDocument"5的评价，可得到一个最符合BCI用户要求的模型，进而生产出最终产品并交付给最终BCI用户。在BCI产品使用过程对用户进行随访，请其发表评论，说出日常使用中不满意的原因，以便后续BCI产品的改进或升级研发。到目前为止，已有研究对BCI产品使用过程中的用户随访显示［8-10］:①对所测试的几乎所有BCI应用，用户反映BCI硬件和软件的安装和设置，特别是带有凝胶的电极帽，是BCI日常使用的主要障碍，准备工作花费了太多时间，而且技术性很强（需要BCI专业技术人员的大量支持和维护）;②用户反映与其在日常生活中用于交流和互动的传统辅助设备相比，BCI速度太慢，进行真正的交流或拼写更长的句子/文本花费的时间太长；③用户反映使用BCI需要不断的训练，MI-BCI训练花费时间太长，SSVEP-BCI和P300-BCI刺激使人疲劳；④用户反映在公众场合使用BCI，由于设备太大且引人注目，会感到不舒服，用户认为脑电帽电极应该更少，放大器应该更小，如果能够超微型和超轻会更好。总之，用户认为BCI的操控应该是轻松、愉快、舒适，而不是沮丧和疲劳。2BCI人因工程要求BCI系统智能化2.1BCI系统的智能化Tab.4VisualAnalogueScale（VAS）任务用户1用户2用户…任务1任务2…任务1任务2…任务1任务2 …表4视觉模拟量表（VAS）满意度1〜10维度Tab.4VisualAnalogueScale（VAS）任务用户1用户2用户…任务1任务2…任务1任务2…任务1任务2 …表4视觉模拟量表（VAS）满意度1〜10维度说明评分标准（0〜100）脑力（心理）需求操控BCI完成工作任务需要付出的心理活动，该任务是否困难需求越大分值越高体力（生理）需求操控BCI完成任务需要的体力需求，是否感到肌肉紧张或动作轻松需求越大分值越高时间需求操控BCI完成任务的速度需求是否让人感到紧张或者慌张需求越大分值越高努力程度操控BCI完成任务需要使用的努力水平程度越高分值越高绩效（性能）水平操控BCI完成任务的绩效水平是否满意绩效越差分值越高挫败程度对操控BCI的成效感到郁闷、沮丧的水平程度越高分值越高表5用户操控BCI的脑力负荷评价量表Tab.5MentalWorkloadEvaluationScaleforusermanipulatingBCI注：采用了NASA-TLX量表［57-58］\o"CurrentDocument"图6为BCI与AI的关系示意图。\o"CurrentDocument"图6a表示BCI与AI并行发展，是二者早期的一个关系；\o"CurrentDocument"图6b表示BCI与AI有交叉的发展阶段，一个典型应用是1.3.1节中提到的共享控制的轮椅（由脑信号控制方向，智能环境识别技术实现轮椅自动避障），BCI和AI分别负责两个功能，彼此独立又彼此合作［5-6］；\o"CurrentDocument"图6c表示把AI引入BCI中，典型应用是把深度学习等机器学习算法引入BCI系统；\o"CurrentDocument"图6d表示把BCI引入AI中，典型应用是把BCI作为某个AI系统的输入通道［5-6,59-60］。随着bci与AI的进一步发展，二者交叉融合，可以通过AI增强BCI的智能化。智能化的BCI系统应该能够智能感知BCI用户状态及外周环境的信息，并能对这些信息进行理解和整合，进而进行判断和推理。一些增强BCI智能化的可能方法：①可以考虑把基于深度学习的智能环境识别技术引入BCI系统，并与BCI系统相融合,深度学习可以对复杂环境中多目标相关的大数据进行学习和识别，能够增强BCI系统对环境的适应性。还可以考虑把其他最新的计算机视觉技术与BCI系统相结合［61］，以增强BCI系统对环境的感知能力。②可以将虚拟现实/增强现实技术与BCI系统相融合［62-63］，以增加BCI用户的沉浸感，提高他们的体验感。③也可以考虑把最新的神经反馈技术与BCI系统相结合，促进操控BCI的脑区可塑性，帮助BCI用户学会控制或调节脑波节律的效率，进一步增加BCI用户的沉浸感［64］。④可采用新的智能机器学习算法处理脑信号并解码用户意图以及监测用户状态，如迁移学习和强化学习等［65］。⑤未来的BCI应用是一个智能系统，与BCI通信和控制的设备应具有适当的智能并有与BCI通信的通用接口。2.2人脑、BCI与AI的关系及BCI的发展趋势BCI系统是直接由人脑控制的，智能化的BCI需要引入AI，BCI为人脑智能（生物智能）和AI（机器智能）架起了一座桥梁［66］，如\o"CurrentDocument"图7所示。通过BCI可能把人的智能与机器的智能融合起来，从而实现脑机智能融合，并可能赋予机器一定的情感,开辟受认知与神经科学启发的AI研究。\o"CurrentDocument"图8为BCI发展趋势的示意图，脑机智能融合可能是BCI发展的高级阶段，将更加体现BCI人因工程的理念和方法。3BCI人因工程的其他重要事项3.1BCI研发的医学伦理BCI研发的目的是进一步提高人类的生活质量，体现了以人为中心的目标。因此，在BCI相关项目申请和实施过程中、BCI相关产品的研发过程中以及BCI商品销售和使用过程中，为确保动物和人的生命安全，要求进行医学伦理等相关论证，并遵守论证的要求，避免反人类的BCI研发。BCI技术的研发无论是“脑控技术”还是“控脑技术”，其目的均是提供可选的新型人机交互方式，为人类服务，而不是损害人类的利益［\o"CurrentDocument"1-2-5-6］。所谓的“脑控受害者”或“控脑入侵”等都不是人类愿意接受的，也不是科学研究的目的，科学界和政府应该达成一致意见，制定相应的规则、法规或法律来规范和约束研究者和使用者的行为。图6BCI与AI的关系示意图a.BCI与AI并行发展；b.BCI与AI图6BCI与AI的关系示意图a.BCI与AI并行发展；b.BCI与AI交叉发展；c.把AI引入BCI中；d.把BCI引入AI中Fig.6SchematicdiagramofrelationshipbetweenBCIandAIa.BCIandAIdevelopinparallel;b.crossdevelopmentofBCIandAI;roducingAIintoBCI;d.bringBCIintoAI图8脑机接口发展的趋势及其高级阶段——脑机智能融合Fig.8ThedevelopmenttrendofBCIanditsadvancedstage-BCIintegration图7人脑、BCI图7人脑、BCI和AI的关系小意图Fig.7Schematicdiagramofbrain,BCIandAIBCI产品用于治疗和康复的相关医疗器械注册证和生产许可证以及市场准入BCI相关产品是直接用人的脑信号进行操控和使用，并且为人服务，因此，该类产品具有独特性。BCI人因工程要求以人为中心设计和研发BCI产品，首先必须确保BCI产品的安全性，然后确保其有效性，特别是BCI相关产品用于治疗和康复时。用于治疗和康复的BCI产品作为一种医疗器械投入市场需要符合各国的标准，获得所在国家的许可认证。例如，中国市场需要获得国家药品监督管理局(NationalMedicalProductsAdministration，NMPA)的医疗器械注册证和生产许可证，如果还想开发国外市场，如欧洲市场，需要获得欧盟的CE认证，如果是美国市场，则需要获得美国食品药品监督管理局(FoodandDrugAdministration，FDA)的认证。此外，在这类BCI产品投入市场时，需要遵守各国政府制定的市场准入法则，以维护持续健康的市场环境。目前，BCI相关产品的医疗器械注册申请和审核过程周期长，较难取得。对于非植入式BCI产品，主要是该类产品的有效性尚存在问题，需要科学精准的效果评价指标；对于植入式BCI产品，主要是该类产品的安全性尚存在问题，需要确保安全性的技术，必须经过缜密的临床试验。BCI相关医疗产品用于治疗和康复的医保报销政策目前，BCI相关医疗产品用于治疗和康复的费用可能较高，会给患者及家庭带来经济负担，反过来也会影响该类产品的推广应用，为体现以人为本的服务理念，需要社会保障政策把BCI用于治疗和康复的费用纳入医保，以减轻患者的经济压力。否则，由于费用较昂贵，患者可能不愿意接受BCI的治疗。4BCI的应用前景和商业价值BCI是一种新型的变革性人机交互，旨在进一步提高疾病或残障人士以及健康个体的生活质量。在过去几年里，随着BCI技术的发展，新成立的与BCI相关的公司数量逐年增加，方兴未艾，投入BCI转化的资金也不断增加。然而，这些公司面临着创业艰难和BCI产品难以落地等问