技術(shù)
導(dǎo)讀:浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院發(fā)文稱,我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了高位截癱病人通過“腦機(jī)接口技術(shù)”控制機(jī)械臂,完成進(jìn)食、飲水和握手等上肢運(yùn)動(dòng)。
智東西1月16日消息,今日,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院發(fā)文稱,我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了高位截癱病人通過“腦機(jī)接口技術(shù)”控制機(jī)械臂,完成進(jìn)食、飲水和握手等上肢運(yùn)動(dòng)。這標(biāo)志著我國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國(guó)際前列。
據(jù)了解,該技術(shù)由浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院張建民教授團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團(tuán)隊(duì)共同研究。該團(tuán)隊(duì)在高位截癱患者腦內(nèi)植入U(xiǎn)tah陣列電極,然后用算法對(duì)電極收集到的腦神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析,并輸出機(jī)械臂可以理解的指令信號(hào),最終實(shí)現(xiàn)患者的“意念操控”。
據(jù)相關(guān)資料顯示,2012年,國(guó)外科學(xué)家首次通過植入式腦機(jī)接口,使癱患病人可以操控機(jī)械手進(jìn)行喝水、進(jìn)食等動(dòng)作。目前非入侵式腦機(jī)接口已經(jīng)成為主要研究方向,外國(guó)創(chuàng)企NextMind今年推出的非入侵式腦機(jī)接口,已經(jīng)讓用戶可以通過“意念”完成控制電視、玩游戲等活動(dòng)。
一、精確手術(shù)操作,個(gè)性化算法加持
據(jù)了解,此次我國(guó)該腦機(jī)接口項(xiàng)目的成功主要由三個(gè)重要環(huán)節(jié)決定:微電極植入、神經(jīng)信號(hào)采集分析和人機(jī)訓(xùn)練。
首先,用于腦機(jī)接口的電極必須要植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元中的第五層,絲毫偏差都會(huì)極大影響信號(hào)采集效果,并且損害其它神經(jīng)。該團(tuán)隊(duì)利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人將兩個(gè)微電極陣列送入既定位置,誤差在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機(jī)器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。
▲微電極植入示意圖
其次就是腦神經(jīng)信號(hào)的采集和分析。目前國(guó)際上已報(bào)道的植入式腦機(jī)接口案例中,患者均為中青年人,此次項(xiàng)目中的患者為老年人,腦神經(jīng)信號(hào)的穩(wěn)定性也有所減弱。該團(tuán)隊(duì)引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,設(shè)計(jì)了一套專門針對(duì)高齡患者的方案,最終實(shí)現(xiàn)了較好的腦神經(jīng)信號(hào)采集和分析效果。
▲腦神經(jīng)信號(hào)采集反饋流程示意圖
最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是患者和機(jī)械手的磨合訓(xùn)練。該團(tuán)隊(duì)首先通過電腦屏幕上的鼠標(biāo)操控訓(xùn)練、機(jī)械臂指定方向運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容進(jìn)行訓(xùn)練,然后再模擬飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。通過循序漸進(jìn)的方式,歷經(jīng)4個(gè)月,實(shí)現(xiàn)了目前的成果。
▲訓(xùn)練過程
二、歷時(shí)八年,從讀懂猴子到臨床試驗(yàn)
2012年,該團(tuán)隊(duì)通過在猴子腦中植入微電極陣列,理解了猴子大腦中關(guān)于抓、勾、握、捏四種動(dòng)作的神經(jīng)信號(hào)。2014年該團(tuán)隊(duì)在人腦內(nèi)植入皮層腦電電極,使受試者可以通過“意念”操控機(jī)械手完成“石頭、剪刀、布”動(dòng)作,為國(guó)內(nèi)首次。
我國(guó)一直致力于腦機(jī)接口領(lǐng)域的相關(guān)研究,并且在國(guó)際范圍內(nèi)也取得了一定成果。清華大學(xué)早在2001年就實(shí)現(xiàn)了通過入侵式腦機(jī)接口控制鼠標(biāo)、控制電視各個(gè)按鍵。2006年它們通過這種方式,控制兩個(gè)機(jī)器狗進(jìn)行了一場(chǎng)足球比賽。
2017年,中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所及合作研究團(tuán)隊(duì)提出任務(wù)相關(guān)成分分析算法,將穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口的通訊速率進(jìn)一步提升到5.4 bit/s,最優(yōu)結(jié)果達(dá)到6.3 bit/s,是截至2019年8月為止,有報(bào)道的最快頭皮腦電腦機(jī)接口系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)也已經(jīng)廣泛開展了非入侵式腦機(jī)接口的研究。
三、中國(guó)千萬癱患患者的福音
據(jù)了解,目前全球腦中風(fēng),腦及脊髓損傷導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)癱瘓后遺癥的病人接近1億,僅中國(guó)就有兩三千萬。
盡管目前入侵時(shí)腦機(jī)接口植入并非永久性的,但對(duì)于廣大癱患病人而言,腦機(jī)接口已經(jīng)極大的改變了他們的生活,讓他們看到了提高生活質(zhì)量的希望。
結(jié)語:我國(guó)腦機(jī)接口研究邁上新臺(tái)階
此次腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用的成功,證明了我國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)具備實(shí)際應(yīng)用的能力,并且患者可以借助該技術(shù)完成的動(dòng)作已經(jīng)較為豐富,可以極大提升患者的生活質(zhì)量。
腦機(jī)接口一直是全球科技界的重點(diǎn)研究領(lǐng)域,目前,非入侵式腦機(jī)接口研究逐漸成為各路科技巨頭和創(chuàng)企的主攻方向,并且目前非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備已經(jīng)在CES 2020大會(huì)上展出。
▲Nextmind非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備
我國(guó)腦機(jī)接口目前邁上了新的臺(tái)階,但未來還有很長(zhǎng)的路要走。