窥探大脑脑机接口开始步出研究领域

窥探大脑:脑-机接口硬件步出研究领域MargeryConner,EDN技术编辑一个正确而低成本BCI（脑机接口）能够帮助实现科幻理想,即不需要说话、打手势,或在键盘上输入,就能与机器通信:你只要思想,机器就会响应。BCI技术不仅是科幻爱好者天地,它还有着明确用途:用于瘫痪病人诊疗设备,或针对大脑情况研究,如帕金森症或癫痫。其它可能应用包含:游戏控制接口以及军用设备。比如,美国国防部高级研究计划署（DARPA）为改善矫正整形术仿生臂项目对犹她大学BCI研究作了部分投资。另外,不停增加军用遥控飞机应用也突显出了BCI军用潜力。大脑是一个充满液体和神经元3磅容器,神经元之间经过微小电脉冲激励做相互交流。这些电信号追踪有多个方法:一个方法需要进入颅骨内,在脑上或脑内植入电极。这种方法有风险,迄今仅用于诊疗目标,比如,用于癫痫研究与诊疗。另一个方法叫ECOG（皮层脑电图）,它出现可回溯到50年代。它是将电极直接置于大脑暴露面上,但仍然处于颅骨内,统计来自大脑皮层电活动。犹她大学研究人员最新研究采取了婴儿用阿斯匹林大小硅电极,其悬浮在大脑上方,但仍在颅骨内。\o"微ECOG"微ECOG（microECOG）包含了一个电极阵列,而不只是一只电极（图1和参考文件1）。研究人员将微型电极阵列置于颅骨与大脑之间。她们发觉,这些电极能够正确地探测到控制手臂运动大脑信号。外科医生将两种微ECOG置于严重癫痫病人大脑上。为了置入较大ECOG电极,临时去掉了病人部分颅骨,电极位置是在造成癫痫病发作脑区。这些较大金属制钮扣式电极根据数字编号。图1（左）亦显示了两个微ECOG阵列,每个有16只微电极,连接到穿过橙色与绿色管子微导线上。图像编辑软件将电极汇总在图中。图1（右）显示了一个有32个微电极微ECOG阵列,它连接到穿过图下方一只透明管微导线上。绿色导线连接到大一般ECOG电极上。ECOG与微ECOG都是穿入大脑电极和\o"EEG"EEG（脑电图）之间中间步骤,EEG将电极放在颅骨外头皮上。与有风险外科手术性质ECOG相比,EEG方法相对简单,它采取粘连方法,将电极固定在头皮上。不过,大脑电信号要抵达头皮电极,就必需经过颅骨。骨导电率很低,信号会很快衰减。当大脑信号穿过膜、颅骨和头发时,这些已很弱小信号就更难以识别了。医疗用途EEG使用需要导电凝胶电极,在粘贴和去除时很麻烦。医疗级EEG传感器系统价格可达数万美元,从而使BCI研究停留在学术和医疗研究领域（图2）。然而,高利润游戏市场已将游戏思想控制看作一个新奇花样,而军队应用也推进着对BCI设备爱好,所以其成本开始下跌,远低于医疗研究质量EEG数万美元价格。最近由Emotiv企业提供Epoc以及NeuroSky企业Mindset价格都在约150美元〜300美元。基于EEG头戴套件怎样取得了强大BCI硬件方案？今年初,在麻省理工学院一个BCI工作室内,奇点大学（SingularityUniversity）始建者RodFurlan概述了她对有创和无创BCI见解（参考文件2）。她说:“无创接口通常只限于读取大脑状态,所以不可能发展出健壮输入输出处理方案。专家们一致认为,EEG可能是一个死胡同,因为,即使它提供了很好临时处理方案,但可实现最大空间方案却可能缺乏未来应用需求。”EEG套件制造商Emotiv企业合作创始人兼总裁TanLe解释了人脑、EEG局限以及Emotiv方案（参考文件3）。她说:“我们大脑由数十亿神经元组成,轴索连接起来长度约有17万公里。当这些神经元相互作用时,化学反应会产生出电脉冲,这是能够测量。我们大脑大部分功效是分布在大脑外表层。为了增加可用脑容量面积,大脑表层有大量褶皱。这种褶皱给电脉冲解析带来了很大挑战,因为每个人脑皮质褶皱方法都不一样。即使一个信号来自大脑相同功效部分,但因为结构折叠,每个人实际位置都非常不一样,哪怕是两个孪生人。”“Emotiv发明了一个算法,可‘解开’皮层褶皱,使信号更近地映射到其起源,从而能用于大量人口。EEG测量通常要用一个由传感器陈列组成发网。Emotiv套件是一个14通道高保真EEG采集系统,不需要做头部备皮,也没有导电胶。它只要几分钟穿戴和信号安定时间。它是无线,价格只要几百美元。”将其从盒中取出,连接到PC,戴到头上,花点时间做部分练习,让套件算法学习你大脑波形模式,然后就能够开始用你大脑控制PC上虚拟图像了（图3）。很棒吧？黑客CodyBrocious也这么认为。Brocious刚开始了解BCI世界,就被Emotiv设备简单性所吸引,她期望更深入地研究。她请求黑客小区赞助购置一套产品,而且很快取得了资金。她发觉了对USB连接上数据作加密密钥,并建立了一个解密例程。到现在为止,她代码库攻击了该设备,从单元中提取了原数据;现在还没有能力过滤出信号,或让传感器对每个数据流作出响应。Brocious建立了CodyEmokit项目,这是一个开源库,可直接从套件读取数据,她将自己项目公布在了Emotiv运行用户论坛上（参考文件4）。Emotiv官方并不喜爱Brocious破解加密和公布库这件事。她们称这么做可能使企业破产（参考文件5）。Emotiv也销售一个价格为700美元开发版套件,它许可存取数据,但不是一个开放环境;企业控制着存取。显然,Emotiv正在努力填补加密漏洞,从而终止Cody项目。其它方案在测量头部表面小信号方面,也存在着\o"EEG"EEG替换方法。有一个技术叫EOG（眼动电图）,采取是眼极化方法。眼球后面要比眼球前面更偏负片,因为视网膜上有大量神经元。当眼睛运动时,围绕眼睛电场也会移动。面部左右侧以及眼睛上下方电极能够测到这些电场。耳后一个电极用作基准电压。WaterlooLabs由NationalInstruments企业一组工程师组成,她们用该企业元件,建立电子项目并编制文档。它实现了一个用于控制超级玛丽视频游戏EOG测试设备,从而为处理在嘈杂环境中（如头部）获取小差分信号设计挑战提供了一个好实例（参考文件6）。一块NationalInstrumentsRIO（快速输入/输出）单板机做EOG信号处理。一块定制子板完成信号采集、放大、滤波和数字化工作（图4）。EOG输入是电极测出双电位信号;这些信号小于背景环境噪声信号,如RF通信信号或60Hz交流线噪声。所幸是,每个电极都会拾取到相同噪声,所以干扰是共模信号。经过放大电极之间差值,抑制它们共模信号,就得到了EOG信号。WaterlooLabs工程师们采取了AnalogDevices企业8221仪表放大器,因为它有低噪声,以及高共模抑制特征。当金属（如电极）接触到某种电解溶液时（如人体皮肤）,就产生了一个电位差（半电池电势）。8221也放大了伴伴随EOG信号半电池电势。假如放大器增益过高,则半电池电势就会淹没EOG信号。半电池电势增益不能超出10,这足以将其从噪声中识别出来。接下来,电路要使用一个设定为0.1Hz高通RC滤波器,抑制半电池电势。经过以上这些噪声抑制步骤,没有了半电池电势常量,电路就能够深入放大信号,要小心不能再让噪声加入进来。电路采取了两级低噪声、高偏置放大器,以保持信号纯净。最终一级采取了一个设定在50Hz低通滤波器,以去除全部高频噪声,包含60Hz交流线电压噪声,然后是一个ADC。至于电隔离问题,因为EOG采取一只9V电池工作,所以是没有危险电压。不过,视频游戏控制器、电视机和RIO都使用120V交流电源,因此,假如收发器中有短路,则EOG用户脸部可能会遭到120V电击。为避免这种可怕情况,电路采取了隔离式AD7401ADC,它经过一个介电缝隙,对信号做磁性耦合,所以EOG与RIO之间没有电气连接。AD7401能够无限期地承受120V电压,以及承受一分钟3000V以上电压。

参考文件1.

“ReadingtheBrainwithoutPokingIt:NewElectrodesMayHelpAmputeesandParalyzed,”UniversityofUtah2.

Furlan,Rod,“Ignitingabrain-computerinterfacerevolution:BCI-XPrize,"SingularityHub,Jan21,.3.

Le,Tan,“Aheadsetthatreadsyourbrainwaves,”TechnologyEntertainmentDesign,TEDTalks,July