[S20_Brain] Post#1 資工碩一 408226151 施柔廷

Group content visibility: 
Use group defaults
Groups audience: 

神經工程

神經工程的特色是利用工程技術所開發的系統或裝置,與神經直接連結互動,接收神經訊號,或把訊號傳遞給神經。電子眼與電子耳就是把影像或聲音轉換成電訊號,傳遞給視覺與聽覺神經,讓大腦可以感受到視覺與聽覺刺激。

腦機介面利用腦波及其他非肌肉通道,協助人類傳遞所欲表達的訊息或控制命令,這管道可讓神經或肢體受創的人與外界溝通。顱內電刺激器則可以產生特定的電流訊號,並輸送至特定的大腦區域,以減緩大腦神經疾病如帕金森氏症或癲癇所產生的症狀。

其中,腦機介面與反應式顱內電刺激器都以資訊技術為核心,需要即時感測與分析腦波訊號,高度整合了電子與資訊技術。

腦機介面

腦機介面是利用腦部訊號讓使用者可以直接與外界溝通。這項技術的基礎在於,當大腦進行某一項特定活動時,會產生對應的腦波變化,因此透過監測與辨認目標腦波的變化,可達成與外界溝通及控制的目的。

功能 腦機介面是一種有別於傳統透過講話、手語以牽動肌肉與外界溝通的方式,而是利用腦波及其他非肌肉通道,協助傳遞所欲表達的訊息,這種溝通與控制的方法也是一種操控機器的新模式。

許多罹患神經肌肉疾病但腦部功能正常的人,例如腦幹中風、脊髓損傷的病人,或運動神經元受損的漸凍人,沒有辦法透過原本肌肉牽引的溝通管道表達意念,腦機介面則為這些病患提供了與外界溝通的一扇窗。

基本架構 腦機介面的主要架構包含生理訊號量測、腦波訊號處理、輔助裝置控制等子系統。

訊號擷取—在腦機介面開發的過程中,首先必須量測腦波或其他生理訊號。方法是把電極放置在頭皮上,量測表面腦電波,或把電極植入腦皮質層,量測皮層腦電圖。由於腦波訊號相當微弱,因此必須透過放大器放大,並轉換成數位訊號,以利電腦分析與運算。

訊號處理—腦電訊號經分析與解讀,了解使用者所欲表達的意圖後,再根據欲控制的對象,轉換成適當的控制指令或溝通訊息。目前最成功的應用是利用想像左右手指移動時,會對左右腦運動區分別產生的 8~12 赫茲成分波有抑制的特性,來解譯使用者所欲傳達的命令,並用來控制不同的輔助裝置。

受控裝置—最後把控制訊號傳送至受控裝置以達成任務,例如控制電腦游標、字元輸入介面、輪椅與義肢等。

腦機介面的出現造成一般大眾過多的幻想,以為這一技術可以利用腦波讀取人類的思想與意念。其實就現階段而言,它的運作原理是根據大腦神經的運作特性加以轉換運用。例如,開關電燈時,需要產生相對於開與關的兩種腦波型態,讓系統可以分辨使用者的意圖,因此源頭在於人類如何產生不同且可重複出現的兩種特定腦波型態。

神經科學家發現,當我們動左手時,頭頂中央右腦區的 8~12 赫茲成分波會有減弱的現象;當運動停止後,這一成分波就恢復至正常強度。當動右手時,同樣現象也會在左腦出現。因此這個運動與腦波反應的關聯就可用來控制開關。

假設動左手代表開,動右手代表關。若在實驗者的左右大腦中央運動區各擺放一電極,當實驗者運動時,分析其腦波訊號,就可判別那一側電極的 8~12 赫茲成分波是否有減弱的現象,而另一側較無明顯變化,就能推論使用者意圖要開或關電燈。若大腦兩側都無這現象,則可推論使用者無意動作。

研究也顯示這個 8~12 赫茲成分波會變化的現象,即使是想像而非實際動手也會出現,因此神經肌肉疾病患者確可透過這個介面與外界溝通。

未來發展 除了可提供患者與外界溝通的服務外,腦機介面對一般人而言,也可透過生物反饋技術,了解其工作時的精神狀態與專注程度。

生物反饋技術在生物工程、認知科學、教育、心理學、精神醫學,以及許多醫學研究中越來越受注目。在訓練過程中,可即時分析特定頻率的腦電波變化,並回報給使用者,使其歸納出可有效改變腦波強度的策略,以達成放鬆、專注等不同的訓練目標。

倘若腦波感測器與分析裝置能微小化、無線化,介面系統更聰明並可隨身攜帶,腦機介面將更能生活化與實用化,造福眾多患者與一般大眾。

顱內電刺激器

上述的生物反饋,是讓人類利用自我訓練來強化或減弱某些特定腦波型態,顱內電刺激器則是另一種方式,它把外力(如電流)直接送入大腦以抑制不正常狀態。在現階段,有些嚴重的帕金森氏症與癲癇患者的治療會遇到瓶頸,而利用植入式顱內電刺激器改善病患的診療品質,已成為神經工程重要的發展方向。

帕金森氏症患者會有顫抖、僵硬、運動遲緩等症狀,若以藥物無法控制或有嚴重副作用時,在大腦視丘下核給予電刺激就成為目前臨床採用的方案。癲癇則是腦細胞異常同步放電所造成的腦功能失調症,發作時會有暫時失去意識、抽搐等症狀。約有 25% 的病患無法以藥物或手術切除癲癇腦區來抑制病灶處的異常放電,因此迷走神經電刺激與深部顱內電刺激便成為抑制癲癇的替代選擇。

迷走神經刺激術是持續性給予特定微量電刺激至迷走神經,可有效減少癲癇發作頻率,已獲得許多國家批准使用。而反應式深部顱內電刺激,目前正在進行的人體試驗,希望當癲癇發作時才給予電刺激,以減少神經接受刺激的次數。

開迴路與閉迴路 前面所提應用於帕金森氏症的顱內電刺激或應用於癲癇症的迷走神經刺激,若是持續地給予特定電刺激,不需要分析判斷的,就稱為開迴路。

抑制癲癇的反應式顱內電刺激,運作方式是持續監測腦波訊號,當偵測到癲癇發作時,立即啟動電刺激器,給予電刺激抑制大腦異常放電,當腦波恢復正常狀態時,則關閉電刺激器。這方式因為系統必須分析大腦訊號,所以大腦與癲癇控制器形成一個閉迴路系統。

基本架構 根據上述,閉迴路癲癇控制系統需具備以下的運作功能:腦波訊號擷取—把微弱的腦電波訊號放大至類比數位轉換器所能操作的範圍,並使量測訊號數位化;即時癲癇偵測—即時分析腦波訊號,若偵測到癲癇發作,立即啟動電刺激器;電刺激器抑制癲癇—當接受到啟動指令時,電刺激器傳送電刺激至特定腦區(如大腦視丘下核),以抑制癲癇異常腦波。當癲癇偵測器判定腦波恢復正常時,則關閉電刺激器。

腦機介面與閉迴路顱內電刺激器有許多相似的地方,例如都需要量測腦波訊號並進行即時分析,因此腦波訊號即時分析是這兩套系統不可或缺的必要技術。

系統要求 系統要實際應用於患者,至少要滿足:微小化—才能裝置在患者身上,而不至於影響到日常生活。偵測準確率高且延遲時間短—這包含 3 個條件,首先癲癇發作時務必要偵測到,儘量減少疏漏;其次,不要誤判,以免在正常狀態下啟動電刺激器;最後,在癲癇發作時儘速發現與反應,若患者已昏迷,或過度放電大發作時才偵測到,那就太遲了。可長期運作—由於電子系統須靠電池供電,而系統大多裝置於皮下,若常需開刀以換電池,會嚴重影響患者的生活。

未來發展 雖然閉迴路深部顱內電刺激系統已進行人體試驗,但仍有許多可改善的地方。例如,可在體外直接對電池充電的方法;發現最有效的電刺激區域與刺激型態;癲癇偵測方法可在系統運作時,即時分析所偵測到的訊號,進而自我調整系統參數,以達到更佳的偵測效果;與不同治療方式結合,例如與藥物釋放系統整合以達到更佳的癲癇控制成效等,都是未來可持續發展的目標。

由以上對腦機介面與顱內電刺激器的介紹可發現,資訊科技在神經工程發展上扮演著相當重要的角色。然而若沒有與電子、機電、神經科學、生物醫學等不同領域技術結合,也不能發展出這些高度整合功能的裝置與系統。因此跨領域的人才培育與研究團隊的密切合作,是資訊科技未來發展的趨勢與挑戰。