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脑机接口也无线BrainGate开发出无线发射器取代传统BCI电缆

发布时间:2021-04-06 22:15:31 文章来源:未来智讯    
导读:相信大家都发现身边的很多电子产品都 无线 了,比如无线鼠标、无线耳机、无线投影等等。似乎所有的电子设备都在朝着 无线化 的方向发展,当然,作为世界最前沿的 脑机接口 也不例外。 近年来,脑机接口(Brain Computer Interface,简称 BCI)技术的热度一直...
      相信大家都发现身边的很多电子产品都 “无线” 了,比如无线鼠标、无线耳机、无线投影等等。似乎所有的电子设备都在朝着 “无线化” 的方向发展,当然,作为世界最前沿的 “脑机接口” 也不例外。
      近年来,脑机接口(Brain Computer Interface,简称 BCI)技术的热度一直居高不下,这项技术带来了突破性的变革,让 “意念控制” 变成现实 使用者只需要在脑海中想一下,就可以操控计算机完成所想的任务,比如在电脑屏幕上打字,或者是操控机械臂完成各种动作。
      图 | 脑机接口(来源:Pixabay)
      然而一直以来,脑机接口所采用的基本都是有线的形式,即需要用许多数据电缆将大脑中的传感器阵列连接到计算机上,计算机接收信号进而驱动外部设备实现各种操作。
      近日,BrainGate 公司展示了全新的 “无线脑机接口”(BWD)系统,它由两部分构成,一部分是位于大脑皮质内的电极阵列,另一部分是位于体外的无线发射器。无线发射器固定在使用者的头部,与大脑运动皮层内的电极阵列相连。其中,无线发射器是一个 5cm 大孝43g 重的小型装置,代替了传统脑机接口用于传输来自大脑内部传感器信号的电缆。
      
      图 | 试验者正在使用无线脑机接口系统(来源:Braingate.org)
      摒弃繁冗的有线电缆,无线脑机接口亮相
      这套 “无线脑机接口” 系统有两大特点,首先,没有了传统脑机接口繁冗的电缆束缚;其次,能够以 “全宽带保真度” 和 “单神经元分辨率” 来传输大脑信号。换言之,它能够实现高带宽、高精度的无线信号传输。
      BrainGate 的研究人员在IEEE Transactions on Biomedical Engineering发表的研究结果显示,两名瘫痪试验者使用 BWD 在一台平板电脑上进行点击操作和码字,他们的点击的精度和码字的速度非常接近,这表明这套无线脑机接口系统的传输信号保真度与有线系统几乎相同。
      “我们已经通过试验证明,在功能上,我们开发的这套无线系统与有线系统非常接近了。” 布朗大学工程助理教授、BrainGate 研究联盟成员 John Simeral 说道。“两者的信号记录和传输保真度非常相似,这意味着有线设备的那套解码算法也可以为我们所用。而我们这套设备的优势在于,使用者不会在被电缆束缚,这可以说是开创了全新的使用体验。”
      在此之前曾有媒体报道称并不看好无线脑机接口设备,因为其带宽较低、实际表现和体验不佳等。对此,BrainGate 的研究人员表示,他们开发的这套无线脑机接口包含一个完全侵入式的皮质内系统,这是首款能够传输皮质内传感器记录的全频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使得基础人类神经科学以及临床研究成为可能,而有线的脑机接口想实现这一点很难。这项(无线脑机接口)研究,在未来脑机接口发展的道路上迈出了至关重要的一步。
      研究人员还指出,“相较于传统脑机接口的测试环境是在实验室中进行的,我们的试验完全可以在家中进行。” 上述两位由于脊髓损伤而瘫痪的试验者分别为 35 岁和 63 岁,在没有任何电缆束缚的情况下,他们可以全天候(连续 24 小时)使用无线脑机接口设备。显然,这给研究人员提供了更长、更多的试验数据基础,包括试验者在休息时的大脑信号数据。
      布朗大学的工程学教授、布朗大学卡尼脑科学研究所的研究员、BrainGate 临床试验的负责人 Leigh Hochberg 说:“有了这套无线脑机接口系统,我们能够以一种以前几乎不可能的方式 在家里、长时间地观察试验者大脑的活动。比如了解神经信号如何随时间演化。这将对我们设计和优化解码算法带来非常大的帮助,为瘫痪患者提供无缝、直观、可靠的通信和移动恢复。”
      功耗低、待机长,未来无线脑机接口设备有望取代有线
      这套被称为 BWD 的无线脑机接口系统是由布朗在布朗工程学院教授 Arto Nurmikko 实验室首次开发的,能够在极小的功耗下传输高保真信号。试验数据表明,两个设备同时开启从 200 个电极上以每秒 48 兆位的速度记录神经信号,续航时间超过 36 小时。
      “虽然 BWD 已经在基础神经科学研究领域应用了数年,但在 BrainGate 试用版中使用该系统之前,还需要进行额外测试和获得监管部门的许可。真人试验是脑机接口技术发展尤为关键的环节,我很荣幸能成为推动人类使用脑机接口团队的一员。更加重要的是,我们论文中描述的无线技术帮助我们发现了下一代神经技术(比如全植入的大脑高密度无线电子接口)的关键所在。”Nurmikko 说。
      早在 2012 年,BrainGate 研究团队便取得了重要的研究成果,试验者能够通过脑机接口操作多维机器人假肢。此后,研究团队不断改进和优化脑机接口系统,让试验者能够做更多事情,比如在码字、使用各种 APP 等等。
      “皮质内脑机接口正在从有线电缆到使用微型无线发射器演变,这项研究可能是为数不多的、能在较长时间内(包括在实际使用脑机接口期间)捕获全范围皮层信号的研究之一。” 斯坦福大学博士后、现任苹果公司硬件工程师的 Sharlene Flesher 指出。
      此外,BrainGate 研究人员还表示,“这项新的无线技术已经在以意想不到的方式获得了回报。” 由于试验者能够在家中使用这套无线设备而无需借助技术人员来维护有线连接,因此 BrainGate 团队能够在新冠疫情期间继续他们的研究工作。
      “比如在 2020 年 3 月,那时候我们无法亲自到访试验者的家,但通过培训护理人员如何建立无线连接,试验者便能够在没有我们团队技术成员在场的情况下使用脑机接口。因此,我们不仅能够继续开展我们的研究,还能保持以前(有线脑机接口)拥有的全部带宽和保真度。”Hochberg 指出。
      Simeral 表示,“目前,已经有很多公司进入到脑机接口这一领域,一些公司还展示了可用于人体试验的低带宽无线系统,包括一些完全植入的系统。我们很高兴能够使用高带宽无线系统为未来的系统提高科学和临床能力。”
      -End-
      参考:
      https://medicalxpress.com/news/2021-04-human-high-bandwidth-wireless-pain-computer-interface.html
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