將新型的納米膜電極與柔性電子設(shè)備和深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，可以幫助殘疾人無線控制電動(dòng)輪椅，與計(jì)算機(jī)交互或操作小型機(jī)器人車輛，而無需戴上笨重的頭發(fā)電極帽或與電線抗?fàn)帯Ｍㄟ^提供一個(gè)完全便攜式的無線腦機(jī)接口(BMI)，該可穿戴系統(tǒng)可以對(duì)傳統(tǒng)的腦電圖(EEG)進(jìn)行改進(jìn)，以測量人腦中視覺誘發(fā)電位的信號(hào)。該系統(tǒng)測量BMI的EEG信號(hào)的能力已由6名人類受試者進(jìn)行了評(píng)估，但尚未針對(duì)殘疾人進(jìn)行過研究。

該項(xiàng)目由喬治亞州理工學(xué)院，肯特大學(xué)和威奇托州立大學(xué)的研究人員進(jìn)行，已在《自然機(jī)器智能》雜志上進(jìn)行了報(bào)道。

佐治亞理工學(xué)院喬治W.伍德拉夫商學(xué)院副教授 Woon-Hong Yeo說：“這項(xiàng)工作報(bào)告了為各種輔助設(shè)備，系統(tǒng)和神經(jīng)游戲接口設(shè)計(jì)符合人體工程學(xué)的便攜式EEG系統(tǒng)的基本策略。” 機(jī)械工程 和 Wallace H. Coulter生物醫(yī)學(xué)工程系。 “主要?jiǎng)?chuàng)新在于在微型皮膚保形系統(tǒng)中開發(fā)了高分辨率腦電監(jiān)測系統(tǒng)和電路的完全集成套件。”

BMI是康復(fù)技術(shù)的重要組成部分，可使患有肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS)，慢性中風(fēng)或其他嚴(yán)重運(yùn)動(dòng)障礙的人控制假體系統(tǒng)。現(xiàn)在，收集被稱為穩(wěn)態(tài)虛擬誘發(fā)電位(SSVEP)的大腦信號(hào)需要使用帶有電極的發(fā)帽，該發(fā)帽使用濕的電極，粘合劑和電線與解釋信號(hào)的計(jì)算機(jī)設(shè)備連接。

Yeo和他的合作者正在利用可以輕松應(yīng)用于皮膚的新型柔性無線傳感器和電子設(shè)備。該系統(tǒng)包括三個(gè)主要組成部分：高度靈活的，安裝在頭發(fā)上的電極，可通過頭發(fā)與頭皮直接接觸;以及 超薄納米膜電極;帶有藍(lán)牙遙測單元的柔軟靈活的電路。大腦記錄的腦電數(shù)據(jù)在柔性電路中進(jìn)行處理，然后通過藍(lán)牙從15米外無線傳輸?shù)狡桨咫娔X。

除了感測要求外，由于信號(hào)幅度低，在幾十微伏的范圍內(nèi)，類似于人體中的電噪聲，因此檢測和分析SSVEP信號(hào)一直具有挑戰(zhàn)性。研究人員還必須應(yīng)對(duì)人腦的變異。然而，準(zhǔn)確測量信號(hào)對(duì)于確定用戶希望系統(tǒng)執(zhí)行的操作至關(guān)重要。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了在柔性電路上運(yùn)行的深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

肯特大學(xué)多媒體/數(shù)字系統(tǒng)高級(jí)講師Chee Siang(Jim)Ang說：“通常用于對(duì)諸如貓和狗等日常事物進(jìn)行分類的深度學(xué)習(xí)方法，用于分析EEG信號(hào)。” 就像狗的圖片可能會(huì)有很多變化一樣，EEG信號(hào)也面臨著高可的挑戰(zhàn)。事實(shí)證明，深度學(xué)習(xí)方法適用于圖片，并且我們證明它們也適用于EEG信號(hào)。”

此外，研究人員使用深度學(xué)習(xí)模型來識(shí)別哪些電極對(duì)收集信息以對(duì)EEG信號(hào)進(jìn)行分類最有用。Ang補(bǔ)充說：“我們發(fā)現(xiàn)該模型能夠識(shí)別BMI在大腦中的相關(guān)位置，這與人類專家一致。” “這減少了我們所需的傳感器數(shù)量，降低了成本并提高了便攜性。”

該系統(tǒng)使用三個(gè)用織物帶固定在頭上的彈性頭皮電極，貼合脖子的超薄無線電子設(shè)備以及放在耳朵下方皮膚上的類似皮膚的印刷電極。干燥的軟電極粘附在皮膚上，請(qǐng)勿使用粘合劑或凝膠。除了易于使用之外，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還可以減少噪聲和干擾，并提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

該系統(tǒng)由六個(gè)人類受試者評(píng)估。具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分類的深度學(xué)習(xí)算法可以控制電動(dòng)輪椅和小型機(jī)器人車輛。Yeo說，這些信號(hào)還可以用于控制顯示系統(tǒng)，而無需使用鍵盤，操縱桿或其他控制器。

Yeo補(bǔ)充說：“典型的EEG系統(tǒng)必須覆蓋大部分頭皮才能獲得信號(hào)，但潛在的用戶可能會(huì)對(duì)佩戴它們敏感。” “這種小型，可穿戴的軟設(shè)備已完全集成，并設(shè)計(jì)成可長期使用的舒適設(shè)備。”

下一步將包括改進(jìn)電極，并使該系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)受損的人更有用。

“未來的研究將集中在完全彈性的無線自粘電極的研究上，這種電極可以在沒有頭帶支撐的情況下安裝在有毛的頭皮上，并進(jìn)一步將電子設(shè)備小型化，以結(jié)合更多的電極以用于其他研究，” Yeo說。 。“腦電圖系統(tǒng)也可以重新配置，以監(jiān)視運(yùn)動(dòng)障礙者的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位或運(yùn)動(dòng)想象力，作為治療應(yīng)用的未來工作將作進(jìn)一步研究。”

從長遠(yuǎn)來看，該系統(tǒng)可能會(huì)在其他應(yīng)用中具有潛力，在這些應(yīng)用中，更簡單的EEG監(jiān)測會(huì)有所幫助，例如在佐治亞理工學(xué)院心理學(xué)學(xué)院副教授 Audrey Duarte進(jìn)行的睡眠研究中 。

她說：“這種腦電圖監(jiān)測系統(tǒng)有可能最終使科學(xué)家隨著受試者的生命以相對(duì)不干擾的方式監(jiān)測人的神經(jīng)活動(dòng)。” “例如，Yeo博士和我目前正在使用類似的系統(tǒng)來監(jiān)視人們?cè)谧约菏孢m的家中睡覺時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)，而不是像通常那樣使用笨重，僵硬，不舒服的設(shè)備來實(shí)驗(yàn)室。用不易察覺的系統(tǒng)測量與睡眠有關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)，可能使我們能夠識(shí)別出老年癡呆癥相關(guān)的神經(jīng)病理學(xué)的新的非侵入性生物標(biāo)志物。”