Brain Computer Interface腦機介面

開課單位授課教師

想像力是你的超能力

BCI 利用腦波訊號來讓使用者與外部環境做互動的方式運用 BCI 可以讓行動不方便的使用者進行與電腦的互動，或是修復失明 ( 聰 ) 者的患者失去的知覺能力。

Outline應用實例腦機介面架構腦機介面– 動物腦機介面– 人類腦機介面– 細胞培養的腦機介面 腦機介面信號種類結論

應用實例醫療輔助 遊戲娛樂家電控制文字輸入

應用實例 : 醫療輔具Toyota 腦波輪椅 (YouTube 影片)

應用實例 : 醫療輔具Walking Again Project ( 杜克大學 神經工程實驗室 ) Monkey‘s

thoughts make robot walk from across the globe

應用實例 : 遊戲娛樂 ( 一 )• NeuroSky MindWave

• Adventures of NeuroBoy

應用實例 : 遊戲娛樂 ( 二 )

MindFlex (MindFlex 官方影片)

應用實例 : 遊戲娛樂 ( 三 )

OCZ NIA Game Controller 腦波滑鼠

應用實例 : 遊戲娛樂( 四 )

Emotiv EPOC官方影片用腦波玩憤怒鳥EPOC + Unity 3D

應用實例 : 家電控制使用 EPOC 控制電視海爾腦波電視

應用實例 : 文字輸入P300 BCI Speller

架構

腦機介面針對運動功能的腦機介面– 80 年代，約翰霍普金斯大學的 Apostolos 找到獼猴上之動作與神經元放電的關聯。– 90 年代中期以來，已有研究小組利用神經集群記錄技術補抓運動皮層中的神經訊號。針對感覺功能的腦機介面– 人類已能夠修復或嘗試修復的感覺功能包括聽覺、視覺、前庭感覺– 人工耳蝸是現今最成功、臨床應用最普及的應用– 視覺修復技術上在研發中，此部份研究大幅度落後的原因是因為視覺傳遞資訊量非常巨大，此外視覺系統在功能上相對複雜

動物腦機介面Phillip Kennedy 利用 neurotropic-cone 電極植入術植入猴子的皮層，建立第一個皮層內腦機介面1999 年哈佛 Garrett Stanley 試圖解碼貓的的腦內的神經元放電資訊來重建視覺影像，從重建的結果中可以看到可辨認的物體和情景Nicolelis 在 1990 年代完成在老鼠的初步研究後，在猴子腦上實作了能夠提取皮層神經元的訊號來控制機器人手臂的實驗。

人類腦機介面侵入式部分侵入式非侵入式

人類腦機介面研究 - 侵入式侵入式腦機介面主要用於重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機介面通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信號的質量比較高。缺點：容易引發免疫反應和產生癒傷組織，而導致信號質量的衰退甚至消失。

人類腦機介面研究 - 侵入式William Dobelle ：在 1978 年將含有

68 個電極的裝置植入盲人 Jerry 的大腦視覺區，成功製造了光幻覺 (Phosphene).Philip Kennedy 和 Roy Bakay ：於

1998 年將訊號擷取裝置植入患有腦中風的Johnny Ray 腦中，經過訓練後， Ray 已可經由該裝置操控電腦滑鼠。

人類腦機介面研究 - 部分侵入式部分侵入式腦機介面一般植入到顱腔內，引發免疫反應和癒傷組織的機率會較小。缺點：因其位於灰質外，其空間解析度不如侵入式腦機介面。優點：其空間解析度優於非侵入式腦機介面。

部分侵入式人類腦機介面 -ECoG• 部分侵入式腦機介面一般植入到顱腔內，引發免疫反應和癒傷組織的機率會較小。• 缺點：因其位於灰質外，其空間解析度不如侵入式腦機介面。• 優點：其空間解析度優於非侵入式腦機介面。

人類腦機介面研究 - 非侵入式使用非侵入式的神經成像術作為腦機的介面，此方法記錄到的信號可用來加強肌肉植入物的功能並使使用者恢復部分運動能力。優點：非侵入式的裝置方便佩戴缺點：由於顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的解析度並不高。很難確定發出信號的腦區。

非侵入式腦機介面 -EEG

非侵入式腦機介面 -EEG( 續 )

θ 及 δ 波又被稱為慢波， θ 波頻率在 3Hz以下，而 δ 波頻率則介於 4至 7Hz間。其振幅相當地寬廣，可高達數百毫伏，常出現於當小孩清醒或大人處於睡眠的狀態下。 α 波出現在一個人處於清醒、心境平和以及閉眼的狀態下。最大的振幅出現在大腦中央後迴及枕葉的地方，其振幅的範圍介於 30至 50μV間。 β 波又被稱為快波，其頻率大約在 13Hz左右。最大的振幅出現在大腦中央後迴、枕葉及前葉處，其振幅的範圍在 20μV 以下。

名稱 頻率(HZ)

Delta波 <3

Theta波 4 - 7

Alpha波 8 - 12

Beta波 13 - 30

Gamma波 30 - 100

非侵入式腦機介面 -fMRIfMRI():原理是利用磁振造影來測量神經元活動所引發之血液動力的改變。由於 fMRI的非侵入性、沒有輻射暴露問題與其較為廣泛的應用

病人利用生物回饋技術例用改變 fMRI所檢測到的 腦部血流訊號來控制桌球運 動。也有研究使用 fMIR訊號來 即時地控制機械臂，此控制 的延遲大約 7秒左右。

細胞培養的腦機介面 為動物或人體外的培養皿中的神經組織和人造設備中的通訊機制 , 此方面的研究是為了建造具有問題解決能力的神經元網路，進而促成生物式計算機。有些研究者會在半導體晶片上培養神經組織，並從這些神經細胞紀錄信號或對其進行刺激，此類的研究被稱為「神經電子學

(Neuroelectronics)」或「神經晶片(Neurochips)」。

腦機介面信號種類 視覺誘發電位穩態反應 (Steady State

Visual-evoked Response) ：主要是給予受測者視覺上的刺激，來偵測受測者腦內枕葉視皮層所產生某種頻率的腦波。P300 ：一種在經由稀有事件 (rare

event)刺激後約 300毫秒內所產生的事件誘發電位 (Event Related Potential) 。

腦機介面信號種類 - 續 慢皮層電位 (Slow Cortical

Potential) ：一種事件誘發電位。當大腦開始進行認知程序時，該電位會持續地出現 1至 2秒。感覺動作律動 (Sensorimotor

Rhythm ) ：當腦電波進行同步時產生的振盪節奏，發生在記錄腦皮層電波時，大多數人的 SMR頻率範圍在 8到 12赫茲。

結論應用於人體的早期植入裝置已經被設計製造出來，用以修復損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。腦機介面裝置應用於醫療最廣泛的是人工耳蝸。基於 P300 訊號製造的腦機介面可以不需要經過特殊訓練。EEG 是現今非侵入式腦機面最廣泛使用的辨識依據。