残障人士可靠“意念”实现自理

来源:金羊网 作者:王倩 卢庆雷 发表时间:2017-03-02 13:41

戴上一顶这样满是“小辫”的帽子,就可以用脑电波操控电脑做选择题了

文/羊城晚报记者 王倩 通讯员 卢庆雷 图/羊城晚报记者 汤铭明

在广州军区广州总医院神经康复科有一位特殊的病人小美(化名),她不能动,也不能说话,即使是医生也很难判断她是否还有意识,是否已经成了“植物人”。她就这样躺了多年。直到有一天,她被戴上了一顶奇怪的帽子,面前摆了一台闪烁不已的电脑。最终,她成功地通过这套系统告诉周围人们:“我有意识,请不要把我当成‘植物人’!”

她多少个日夜的无声求救,终于被“听”到了!这项帮助了陷入深渊中无法自拔的小美的技术,就是所谓的“脑机接口”技术。

让“植物人”做选择题

华南理工大学以李远清教授为首的脑机接口团队在相关领域进行了多年的研究,取得了丰硕的成果。2017年新年伊始,该团队与清华大学高小榕教授团队合作的项目成果“脑信号分析算法与非侵入式脑机接口研究”,荣获广东省委省政府颁发的科学技术奖一等奖。目前,他们正与广州军区广州总医院神经康复科虞容豪教授团队及其他医院团队合作,将这项技术推向临床。

近日,羊城晚报记者在华南理工大学见到了以李远清教授为代表的获奖团队中的俞祝良教授。他告诉记者,脑机接口相关技术是目前国际上的前沿热点,涉及脑科学、医学、计算机、信号处理、传感器、自动控制等学科领域,具有重要科学意义与应用前景。值得一提的是,脑机接口可用于残疾人神经功能辅助与康复、增强人机接口等,是医疗助残、应对人口老龄化方面的前沿技术。

针对小美的情况,俞祝良解释说:“小美好像是一台显示器坏了其他部件却有效的电脑,由于没有了向外界表达的能力,旁人没办法知道她究竟还有没有意识。”

大脑严重受损的意识障碍患者,他们的确看起来醒着,但与外界几乎完全没有交流。这些俗称为 “植物人”的患者,他们到底有没有意识?如何判断病人究竟是不是“植物人”?这些曾是困扰医生的医学难题,而且这些诊断直接决定了治疗方案与治疗效果。现有的临床诊断方法还相当“原始”,只是通过一些简单地刺激,去观察评估病人的行为反应。一个突出的矛盾是,这些病人往往缺乏行为反应,因而导致现在临床误判率较高。

现在,通过脑机接口技术,小美不仅证明自己有意识,还做出了算术题——她眼前的电脑屏幕上有一道算术题“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”。几秒钟后,数字“8”保留在屏幕上,小美答对了。

这究竟是如何实现的?意念真的可以输出到电脑运算?“电脑并不真的知道你的想法,但它能捕捉到你大脑反应后的脑电波信号,通过解码分析,就可以了解部分脑状态信息。”在众人惊愕的目光中,俞祝良解释说,“比如这道算术题,闪烁的8和6中,意识清醒的小美当然知道答案是8,那她只需一直注意盯着8这个数字就行了。而我们的脑机接口可以检测出她注意的是8这个数字。”

然后就是见证奇迹的时刻——

电脑控制8和6交替闪烁,每次8在闪烁时,理论上小美的脑电波就会出现一次极轻微的波动,经过多次测量,电脑可以得出结论,证实小美在关注8,而不是6——这就是其中一类脑机接口。

以此类推,闪烁的数字还可以换成字幕、图像等任何信息,“如果把8换成刘德华的头像,把问题换成你的偶像是谁?那电脑也可以告诉大家,你更喜欢刘德华。”

还有更神奇的,实验室的研究生在记者的见证下,尝试了用脑电波自由地打字,大概为5秒钟输入1个字母,准确率竟超过95%。

可用意念操控轮椅

除了“意念打字”、“意念算数”,李远清团队还研发出了一台超酷的“意念轮椅”,同样可以通过电极帽连接大脑和计算机,再通过计算机捕捉大脑注意力信号,来控制轮椅的行进、停止、速度、方向。

在不算大的实验室里,研究生双臂抱胸,不触碰任何机械部分,仅凭目光和想法就能操控轮椅进退自如,全程没有发生任何碰撞,甚至可以绕过摆在地上的障碍物,进行复杂操控。据说他们曾“开”着这台轮椅在华工校园里“兜风”,吸引来不少惊讶的目光。

而在一间摆设得好像普通家居卧室的房间,实验者模拟行动不便的病人,只要在电动护理床头安装脑机接口的装置,就能用意念控制护理床帮助自己坐起、翻身,甚至能控制房间灯光,还能开关电视和换台。

这是非侵入式“脑机接口”

面对记者的种种疑惑,俞祝良教授详细地回答了我们的问题。

羊城晚报:能解释一下那顶奇怪的帽子吗?

俞祝良:这顶电极帽是脑电波信号采集的关键设备之一,黑色的薄帽子上分布着30多个凸起中空的电极,每个电极上都连接着一根细细的导线,并对应一个通道。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,利用特制的放大器进行信号增强和数字化后,变身为32多路数字信号,输送到电脑中进行处理和解码。

我们目前使用的电极帽还是湿电极,就是用的时候要在电极中注入胶水一样的导电胶体,来增强信号连接效果。现在也有人在研究干电极帽,用起来会方便很多,但是信号质量等方面还有待提高。

羊城晚报:只要戴上帽子就能操控,这相对还是比较安全的,对吧?

俞祝良:没错,我们研究的脑机接口是非侵入式脑机接口的。目前全球脑机接口的研究主要分两大类:一是非侵入式脑机接口,通过电极接触头皮获取大脑信号,因为脑电波传播过程中受到头骨、头皮等等多层介质的衰减,头皮上采集到的信号非常非常微弱,大概只有一节普通干电池电压的一万之一到十万分之一,所以,信号采集效果大打折扣,后续处理也比较难,但使用非常安全;二是侵入式的脑机接口,通过开颅手术,把电极放在大脑皮层上或者植入大脑皮层来获取信号,这种方式信号采集效果好,目前最新的实验已可以让猴子控制机械手臂的三维运动。但植入电极会伴随手术风险。

羊城晚报:“意念轮椅”、“意念家居”如果实际应用,造价会不会很高?

俞祝良:我们现在使用的一些部件比如脑电波放大器是医用级的,造价比较高,实际生活应用不需要这么精密的仪器,一般应用的脑电波放大器数千元就可以生产。而脑机接口技术,除掉知识产权和技术开发成本,其生产成本其实非常低,其产品普通家庭都可以承受。那台实验用轮椅的造价较高,主要是我们安装了很精密的仪器用于研究,如高精度脑电波放大器等。实际应用中,这些部件不一定需要,或者可以用自行开发的产品,系统的成本可以大大地降下来,这样脑机接口并不需要太多钱。

编辑:林晓彦
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