近日由美國佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)實驗室領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)、國際研究團隊，將用于頭皮接觸的無線柔軟電子器件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合在一個腦機接口(Brain–machine interface，BMI)系統(tǒng)中，用戶可以通過想象一個動作，來無線控制輪椅或機械臂。
這個新 BMI 系統(tǒng)，基于運動想象(MI)原理，即用戶想象自己肢體運動時，即使沒有實際運動輸出，但腦部特定區(qū)域會被激活，產(chǎn)生信號實現(xiàn)控制。該系統(tǒng)對用戶的主要優(yōu)勢是柔軟舒適，并且沒有電線影響，具有靈活性。
該研究論文題目為《用于基于運動圖像腦機接口的無線柔性頭皮電子器件與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)(Wireless Soft Scalp Electronics and Virtual Reality System for Motor Imagery-Based Brain–Machine Interfaces)》，于 7 月 17 日發(fā)表在 Advanced Science 上。
一、現(xiàn)有腦電圖設(shè)備使用不方便并且信號采集能力差
BMI 為身體殘疾的人(如因肢體麻痹或者腦損傷而導(dǎo)致運動功能障礙)提供了一種可能的解決方案。
運動功能障礙中極具挑戰(zhàn)性的一種是閉鎖綜合征(locked-insyndrome)，患有這種疾病的人有意識，但是無法自行移動和與人交流。
BMI 可以通過分析一個人大腦的信號，將人腦的神經(jīng)活動轉(zhuǎn)化為命令信號，以及將人的意圖轉(zhuǎn)化為機械輔助的行動。最常見獲取人腦信號的非侵入性方法是腦電圖(ElectroEncephaloGraphy，EEG)。實現(xiàn)這種方法通常需要一個笨重的電極帽和一堆電線。
腦電圖設(shè)備通常嚴重依賴于凝膠劑和黏合劑，來幫助保持人體皮膚和設(shè)備的接觸，實現(xiàn)起來需要長時間的設(shè)置，通常使用起來讓人不方便和不舒服。由于材料退化或運動偽影(如可能由佩戴者磨牙或眨眼等引起的附屬“噪聲”)的影響，腦電圖設(shè)備的信號采集能力也很差，會存在干擾信息，使用中必須過濾掉噪聲信息。
二、無需電線，三個部件構(gòu)成便攜腦電圖系統(tǒng)
佐治亞理工學(xué)院喬治?伍德拉夫機械工程學(xué)院副教授 Yeo 說：“與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，這個系統(tǒng)對用戶來說的主要優(yōu)勢是柔軟舒適，而且無需電線。”
Yeo 設(shè)計的便攜式腦電圖系統(tǒng)集成了微細針電極和柔軟無線電路，提供了更好的信號采集。因為準(zhǔn)確測量人腦信號對于確定用戶想要執(zhí)行什么行動至關(guān)重要，因此該團隊通過集成機器學(xué)習(xí)算法和虛擬現(xiàn)實組件來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
他們設(shè)計了一款便攜式、無線、頭皮軟接觸電子產(chǎn)品，簡稱“SSE”。SSE 主要由三個主要部件組成：
安裝在有頭發(fā)部分的頭皮上的柔性微針電極
使用激光加工的可伸縮、柔性連接器件
隱蔽、靈活的電路
此外，SSE 還包括虛擬現(xiàn)實組件，以實現(xiàn)營造方便和沉浸式訓(xùn)練環(huán)境，來幫助將運動可視化。
這些組件組成了一個單片的腦電系統(tǒng)，以最小化運動偽影和最大化信號質(zhì)量。皮膚穿透電極提供了最佳的頭皮阻抗密度，提高了運動想象數(shù)據(jù)記錄的信噪比和空間分辨率。
三、實現(xiàn)超 90% 識別準(zhǔn)確率
新系統(tǒng)已經(jīng)在四名健康受試者身上進行了測試，目前在殘障人士身上的相關(guān)測試還沒有進行。
該系統(tǒng)有6 個腦電圖通道，可穿戴在頭發(fā)上，其準(zhǔn)確率和信息傳遞率較高(93.22±1.33%)，并且響應(yīng)時間較短(4 名受試者的峰值信息傳遞率為 23.02 bit /min)。
Yeo 實驗室的博士生 Mahmood 說：“這種新的腦機接口使用了一種完全不同的模式，包括想象的運動動作，比如用任意一只手抓東西，這讓實驗對象不必看太多刺激物。”
Yeo 談道：“事實證明，虛擬現(xiàn)實設(shè)備給予的提示非常有用。它們加快并提高了用戶的參與度和準(zhǔn)確性。我們能夠記錄到連續(xù)的、高質(zhì)量的運動想象活動。”
結(jié)語：便攜式腦機接口幫助殘障人士更方便
科研人員使用腦機接口技術(shù)，來幫助殘障人士恢復(fù)部分個體運動功能已經(jīng)不算新鮮新聞了，但如何把腦機接口設(shè)備改進的更加便攜、舒適和靈敏，還是有很大進步空間的。
從讓失語者說話到讓運動障礙人群能夠移動，腦機接口可以完成的事情越來越多。各科技巨頭也看好這個領(lǐng)域，紛紛投資，例如 2019 年 Facebook 花費十億美元買下腦機接口創(chuàng)企，國內(nèi)腦機接口創(chuàng)企博睿康科技也在 3 月份完成了由紅杉資本領(lǐng)投的超億元 B 輪融資。
