南方都市报双版报道:新型脑控轮椅“想”去哪就去哪

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  南方都市报7月28日A10-11版讯7月21日,华南理工大学脑机接口实验室,何盛鸿在操作脑控轮椅。他头上戴的电极帽收集脑电信号传给电脑。

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  7月21日,华南理工大学脑机接口实验室,何盛鸿在操作脑控轮椅。

  广州日报2月23日讯美国研究人员近日宣布,已研制出一种可由大脑控制的机械手,这种机械手能帮助人准确且自然地执行动作。长期瘫痪的人可以通过手部定位、导向以及接触,部分恢复自然的指令信号,进行一些接近正常人的活动。将人脑与机器“结合”,这项曾经看似遥不可及的技术,现在已经开始变成现实。在未来,“脑机接口”技术将会有哪些新突破?在应用领域,又将会有哪些我们意想不到的用途?我们特邀专家进行解答。

  “醒着”的“植物人”对着眼前的电脑屏幕,屏幕上方有一道算术题“3+5=?”,屏幕下方有两个数字键在交替闪烁,一个数字是“8”,另一个是“6”。医生和家属屏息等待着。病人不能动作没法发声,但几秒钟后,正确答案“8”保留在屏幕上,意味着“植物人”会做这道算术题,并且计算机读出了“植物人”的回答。

“脑控手”:瘫痪者可用意念控制假肢

  这并非科幻电影里的场景。华南理工大学李远清教授带领的脑机接口团队,正通过人脑与电脑的沟通,尝试找出有意识的“植物人”患者,甚至让他们可以表达简单的想法。

  一直以来,研究者对于人脑与计算机结合的技术很感兴趣。而发表于医学杂志《柳叶刀》的这项最新研究结果,就是把获取的大脑神经细胞的放电信号变成了计算机编码,从而可以准确控制机械手的运动。
  神经生理学家和生物医学工程师们认为,这种由脑控制的假肢是该领域的一个新突破。
  方法:运用基于模型的算法
  研究小组成员、宾夕法尼亚州匹兹堡大学教授安德鲁·施瓦茨说,这项研究最大的挑战一直是如何把人脑信号准确转录为计算机编码。
  不少做到这一点的脑控假肢所用算法是一个复杂的“图书馆”,内容为人脑信号与计算机编码的连接关系。通过这种算法,很多大脑控制的假肢已经可以达到这样的效果。
  但这次研究者们采用的是完全不一样的方法,他们通过运用一种基于模型的算法,可以准确地模仿未受损害的大脑控制肢体的运动。实验结果表明,这个机械手可以比之前的任何脑控假肢运动得更精准、自然。
  实验:完成任务成功率高达91.6%
  该研究小组将两个微电极植入一个52岁的妇女大脑运动皮层。
  这位女性志愿者由于脊髓小脑退化导致左半身从颈部开始瘫痪,无法移动自己的手部和脚部。动完手术两周后,该妇女装上了假肢并且进行了为期14周的训练。第二天后,她便可以通过脑控来移动假肢。
  该训练主要针对9种技能,例如抓和移动小物体、堆叠椎体等等。最后,她完成任务的成功率高达91.6%,而且每项动作比实验之初平均快了30秒。
  计划:让机械假肢具备感知功能
  研究者表示,下一步工作是让合并了感受器的机器假肢告诉病人物体表面是冷、热、粗糙或是光滑,并且用Wi-fi技术取代电线将病人的脑和假肢联系起来。
  早在2011年10月,北卡罗来纳州杜克大学的一个研究小组称,他们将电极植入猴子大脑,可以让该动物感受到虚拟物体的质感。最近,在美国国防部高级研究项目署(DARPA)资助下,研究人员正在研发潜在的可以用于军事的相关技术,包括供退伍老兵使用的脑机接口技术。

轮椅怎么实现“脑控”?电脑从脑电信号解读出你想去哪

威尼斯官方网站登录,“脑机接口技术”:你想做什么 电脑都知道 侵入式VS非侵入式

  7月21日,华南理工大学暑假的第一天,在3号楼5楼左侧的脑机接口与脑信息处理研究中心,三四十名硕士生、博士生还在紧张地忙碌着。

  华南理工大学自动化科学与工程学院院长、华南理工大学脑机接口与脑信息处理研究中心主任李远清教授向本报记者介绍说,将人脑与机器“结合”,就是专业人士所称的脑机接口技术。该技术涉及脑科学、神经工程、计算机科学、控制科学、信号处理等多个学科,多次被评为世界十大科技进展。
  “依据信号获取的方式,脑机接口可以分为两大类。一类是侵入式脑机接口,就是将微电极植入人或者猴子等动物的大脑皮层,提取脑信号并输入计算机实时处理,得到反映用户意图的控制命令,来控制机械臂等外部设备。”李教授表示。
  像“脑控手”就是一种侵入式脑机接口。这种脑机接口的优点是提取的信号质量高,能完成对一些复杂外部设备的操控,缺点也很明显,就是对大脑有伤害。“病人能否长期植入这种微电极,保证其性能长期稳定和安全,这些都是没有解决的难题。”他说。
  此外,另一种方式是非侵入式的脑机接口,目前最普遍用的是脑电,脑电是通过头皮电极提取的电信号。这种脑机接口的突出优点是对大脑没有伤害,方法简单,设备相对便宜,但缺点是提取的信号质量相对较差,难以操控复杂对象。

  实验室里,加入李远清教授团队4年的博士生何盛鸿,正操作一辆特殊的轮椅。轮椅由普通轮椅改造而成,并安装了三维摄像头,用来探测前方的障碍物。扶手处加装了控制盒,轮椅前加装的搁板上放着一台笔记本电脑,用导线连接着脑电数据采集设备。

如何提取“脑信号”是关键

  这是李远清团队针对高位截瘫无法自理的残疾人士,研制出的新型脑控轮椅。

  人脑与机器,原本毫无关联,为何能互通信息?李教授解释说,人脑和机器的结合,主要是通过一个桥梁,就是脑信号。脑信号首先通过脑电图、植入电极、光学成像、脑磁图等设备获取,然后通过有线或无线的方式输入电脑,电脑对这些信号实时处理,提取反映用户意图的信息,并将这些信息变成对外部设备的控制指令,从而实现脑机结合。“这项技术的一个重要应用前景是对残疾人的神经功能进行辅助及促使其康复。就目前来看,这项技术还处在实验室研究和应用的交叉地带,要实现产业化,还需要解决设备成本过高、使用不太便利、性能进一步提高等问题。”
  关于“脑机结合”,有些技术目前已经实现,除了“脑控手”,还有基于脑电的文字输入、家电遥控、网络浏览、电话拨号、虚拟车或轮椅操控、基于植入电极的对老鼠和壁虎等动物的运动控制、猴子用脑操作机械臂等。

  摄像头自动扫描房间里的区域,电脑显示出像棋盘格一样的众多粉色和蓝色候选目标点。何盛鸿看着某个粉色目标点,该系统就会产生选择动作,将所有粉色目标点保留,去掉蓝色目标点,并将剩下的目标点重新标为粉色和蓝色。

脑控轮椅不久将推向市场

  经过这样四五次的选择,电脑通过从何盛鸿戴的电极帽获取到的脑电信号中,解读出了他想去的目的地。然后,自动导航系统自动规划一条能绕过房间内障碍物的路线,并控制轮椅沿此规划路线将何盛鸿送到预设的目的地。

  坐上一台轮椅,只需想一想怎么走,就能怎么走?无论前后左右,或者加速减速都没问题?这不是幻想,而是用脑电波控制的轮椅的神奇之处。
  李教授告诉记者,在国内也有不少关于“脑机结合”的科研成果。华南理工大学脑机接口与脑信息处理研究中心研发了一款多模态脑控轮椅,可以实现大脑对轮椅的方向、速度、停止启动等多种功能的控制。其关键技术是多模态脑机接口技术,具体来讲,就是结合脑电中的视觉诱发电位和与运动想象相关的同步与解同步模式,实现多自由度控制。这些相关技术,已经获得三项国家发明专利。除“脑控轮椅”外,该研究中心还建立了其他脑机接口系统,包括家电集成控制系统、网络浏览与邮件收发系统等等。
  “这类脑机接口系统与‘脑控手’不同,是基于脑电的、非植入式的,对大脑没有伤害。但不足的地方是,不易完成对复杂对象的操作。”他说。
  这种脑控轮椅,经历了两年多的研究,仍处于实验室阶段。他们计划在接下来的时间里能寻找到更低廉的信号获取设备,以降低成本,同时还将进一步完善该系统,让轮椅反应更精准、快速。待这款新型轮椅的性能稳定后,很可能会推向市场。这款轮椅的市场化将会给残疾人带来福音,使用者仅须通过执行一定的意识任务与接受车载电脑的视觉刺激就可以控制轮椅的行驶。该轮椅的造价目前要20万元左右。“就技术而言,由于我们实现了多功能控制,应该说是处于国际先进水平的。”李教授说。

  李远清团队还开发了另一种纯脑控的轮椅。每个人想象左手和右手运动的时候,头皮上的脑电位反映出的特征是有区别的。再加上视觉刺激产生的电位,就得到多种信号模式。区分这些信号模式,就可以得到多个控制命令,把它们对应成轮椅的不同动作,如左转、右转、加速、减速、启动、停止。这样就能让一个手脚动不了的高位截瘫病人,用“意念”来操控轮椅。

未来或能用“思维”执行任务

  现在,团队还在为完善轮椅继续努力,如何盛鸿希望提高轮椅的停止功能。“电脑不知道轮椅什么时候要停止,所以要一直去判断,并尽量不要误判。因为这是实时的系统,残疾人坐久了轮椅,脑电波模式发生变化,判断就有可能出错”。之前判断一个停止命令,需要四至五秒,何盛鸿他们希望进一步缩短停止需要的时间,解决误判的难题。

  “从应用的角度,我个人看好非嵌入式脑机接口系统,主要是因为这类系统对大脑没有伤害。而其性能的提高、设备成本的降低以及设备的方便实用等则可以随着技术的进步逐渐解决。”李教授说。
  那么,在未来,人类最终是否能够实现电影《阿凡达》中描述的那样,直接通过大脑控制外部设备,按自己的思维来执行很多复杂任务?
  李教授认为的确有可能。他表示,在未来,“脑机结合”技术的发展趋势,可能体现在以下几个方面:
  一是双向脑机交互。过去的脑机接口系统主要是从脑到机,也有一些从机到脑的,但真正意义上的双向脑机接口还不多见。
  二是用于脑机接口的脑信号获取技术的进步。脑机接口最终走向应用,很大程度上取决于信号获取设备。对侵入式脑机接口,微电极要安全,且性能稳定。对非侵入式脑机接口,信号设备要便宜,性能好且方便实用。
  三是在应用与产业化方面将更加广泛。目前,研究人员已经在残疾人,如中风病人的运动功能辅助、小儿多动症治疗等方面开展探索性研究,并取得了初步成效。除此之外,脑机接口也可能在军事领域产生应用。

捕捉微弱脑信号 提取分析和解读都是难题

  华南理工大学自动化科学与工程学院院长、脑机接口与脑信息处理研究中心主任李远清研究脑机接口技术已经11年。

  脑机接口是在人或动物大脑与外部设备间建立起直接通路,其大致原理是:系统采集用户的脑信号(如脑电波),并将脑信号输入计算机进行实时处理,挖掘出反映人脑意图的信息,进一步将这些信息变成控制指令,来实时控制外部设备。外部设备的控制效果又反馈给用户,用户可以依据这个反馈来调整脑控制策略,进一步提高控制效率。

  过脑机接口,人脑可以直接控制外部设备。在这个过程中,人脑起到“指挥官”作用,而发出的“命令”隐含在脑信号中,由计算机将其解读出来。

  团队成员之一的俞祝良教授举了个例子,假设被试者专注于屏幕上的某个按键,这个按键突然闪烁时,大脑的神经电生理会发生变化,并在头皮表面产生电信号变化。通过仪器捕捉头皮表面的电信号,通过信号分析与处理,可以获得多种控制信号,这些控制信号组合后可以产生多种命令,从而将人脑中的想法转化为对外部设备的控制指令。

  脑信号处理就是基于大脑的某些生理现象产生的信号变化,挖掘脑信号中的反映脑活动的信息,对于残疾人,就可以解读出他们大脑里难以用语言和动作表达的想法。

  如何准确捕捉极微弱的脑电信号,进行提取、分析和解读,是个难题。脑机接口实验一直面临信息采集的巨大挑战。一节普通电池的电压是1.5伏,人脑头皮皮上采集的电信号大概在微伏级水平,不到电池电压的十万分之一。而且随便动一下,肌肉产生的电信号,都比脑电信号大得多。所以,脑电信号中往往带有大量的干扰和噪声,信噪比很低,处理起来非常困难。

  信号采集有很多方式,李远清团队采用的主要是非侵入方式,即在头皮上贴电极来采集脑电信号。与将微电极插入大脑皮层的采集方式相比,该方式使用方便、成本较低、无伤害,但信号质量比较差,信号处理难度大。

  在实验中,需要给残障人士戴上电极帽,黑色的薄帽上分布着32个凸起中空的电极,每个电极上都连接着细细的导线,对应一条通道,人脑产生的脑电波,被这一条条编成辫子一样的导线传导后,利用信号放大器增强和数字化,变身为32路时间信号,输送到电脑中进行处理和翻译。

  有时,为了得到更多的信息,还会使用64导或128导电极帽,为大脑和计算机之间建立起更多通道。为提高导电性能,电极帽采集信号前,实验人员会给每个小孔滴入像牙膏或面糊一样的胶体,这种胶体能改善头皮和电极的导电效果。

  另外,李远清团队正在和广东省人民医院影像科合作,利用核磁共振成像手段进行人脑信息处理机制的探索。和脑电数据相比,核磁共振采集到的数据量大得多,处理起来也更加复杂。

护理床电视电灯空调 都有望用大脑来遥控

  采集脑电信号,还只是第一步。脑电信号里面包含着人的想法和意图信息,如何把这些信息转化为指挥机器的命令,还需要经过信号处理和控制执行两个关键环节。

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