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起心動念—談腦機介面的發展與應用

腦機介面把腦袋想的東西連到機器,未來有潛力讓人透過機器做到更多事情,目前則主要運用在疾病的治療與復健。段正仁透過自己研究團隊的經驗,介紹腦機介面應用於腦性麻痺和中風後病人的成效,成果令人振奮。
 
 
段正仁  國立中央大學認知神經科學研究所副教授
▲段正仁 國立中央大學認知神經科學研究所副教授
 
腦機介面把腦袋想的東西連到機器,未來有潛力讓人透過機器做到更多事情,目前則主要運用在疾病的治療與復健。段正仁透過自己研究團隊的經驗,介紹腦機介面應用於腦性麻痺和中風後病人的成效,成果令人振奮。

腦機介面研究流變
 
腦機介面的開發始於美國軍方對受傷軍人的照護,最早只用於全癱病人,且必須透過手術把電極植入腦中,直接擷取腦中訊號。直到2005年,腦機介面研討會(BCI Meeting)開始討論如何擴大腦機介面的效益,才逐漸接受由頭皮表面讀取的腦波訊號,定義了腦機介面的新用途。2018年,美國商務部限制14種關鍵技術由美國輸出,腦機介面就包括其中。雖然目前的應用還未成熟,但已足見腦機介面的潛力和受重視的程度。

用眼打字、想像握拳
 
腦機介面實踐上的第一步,需要找出穩定的腦電圖(EEG)訊號,目前有兩種常用類型,一是穩態視覺誘發電位(SSVEP):眼睛看著閃爍頻率大於6 赫茲的燈光刺激時,後腦勺的主要視覺皮質區就會反映出刺激燈光的閃爍頻率。若在螢幕上顯示一組鍵盤,每個按鍵格子以不同頻率閃爍,當受試者眼睛盯著某一個格子時,其閃爍頻率就會顯示在視覺皮質區上,藉此可知受試者正盯著哪個格子,作為輔助輸入工具。目前文字輸入速度比賽的最新紀錄已經逼近人手打字速度,接近實用程度了。
 
另一種穩定的EEG特徵是想像動作電位。我們想像右手握拳時,腦左側的運動皮質區會產生變化,想像左手握拳時則表現在腦右側,這和實際上握拳時表現的位置完全相同。分析擷取到的腦波訊號,便可得知受試者腦中是否想像了握拳動作,進而利用該想像動作電位來進行輔助機具的控制。

腦性麻痺和中風後病人的應用
 
段正仁團隊運用想像運動電位控制電動玩具,作為腦性麻痺學童的腦部訓練工具。腦性麻痺患者因為手部肌肉張力太高而無法應用自如,因此希望透過腦機介面遊戲來訓練大腦的控制,進而能夠放鬆手部肌肉張力,讓腦麻病患能夠開始學習簡單的動作控制,希望有朝一日他們能夠自己持餐具進食。過去幾年段正仁團隊也在年底舉辦了六屆的腦機介面輔具電玩大賽,讓腦麻學童透過平常在課堂上訓練,之後參加每年的電動玩具大賽,和沒有腦性麻痺的同儕競技。
 
另一個應用是中風後復健訓練。透過延攬單側中風並已經復健兩年的病患,透過腦機介面控制的復健輔具,當偵測到病患的想像動作電位時,復健機運作6秒(可調整),過了6秒後病患必須再次想像動作,讓復健機反覆運轉。藉由此反覆訓練,幫助病患逐漸找回大腦主控權。另外,復健機結合了賽車遊戲,成為輔具電玩賽的比賽項目。
 
這些參與復健訓練的中風患者,透過功能性磁振造影觀察,病患在訓練前,相對於健康側手的運動,壞手運動時其運動皮質區的活化情況遠不及健康側手,同時其他不相關的腦區,卻積極的參與活動,整體腦部活動表現相當分散,可知中風後對腦部造成的影響,是原來清楚分工的結構被打散。訓練一個月之後,發現分散的情況逐漸消失,而運動皮質區活動也逐漸集中,顯示大腦結構性的功能分區得到恢復。

展望與提醒
 
由於每位中風病人的中風位置不同,透過與AI結合,可以更有效找出擷取訊號的最佳位置。研究者也希望找到更多穩定可用的腦機介面EEG特徵,能夠進行更多樣的研究和運用。腦機介面專用硬體的進步則能夠將運算簡化、提高速度,使即時性更為提升。
 
最後段正仁也提醒,坊間有一些誇張的腦波運用法,例如利用腦波選咖啡、甚至擇偶,但事實上透過腦波只能得到腦中訊號的1%;研究者盡力開發腦波的用途,但大家也要了解侷限,謹慎使用。
 
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