用于腦機(jī)接口的下一代醫(yī)療設(shè)備

光標(biāo)向我閃爍，嘲弄我放下一些東西。我什么都沒(méi)有，所以我通過(guò)對(duì)刷新率計(jì)時(shí)一分鐘來(lái)確定它的值來(lái)娛樂(lè)自己。我發(fā)現(xiàn)它以 50Hz 的頻率閃爍。每一次閃光都在告訴我，到目前為止我什么都沒(méi)有。感覺(jué)就像電影《黑衣人》 (1997) 中的神經(jīng)化劑抹去了我的思緒。對(duì)于大多數(shù)作家來(lái)說(shuō)，這是一場(chǎng)由來(lái)已久的戰(zhàn)斗：如何開(kāi)始一個(gè)好故事，如何寫一篇文章來(lái)吸引和傳播信息。我如何將大腦中的想法和想法寫到頁(yè)面上？這是一場(chǎng)將我想表達(dá)的東西轉(zhuǎn)化為已發(fā)表的文字的戰(zhàn)斗。

如果我有一個(gè)腦機(jī)接口 (BCI)，可以用無(wú)窮無(wú)盡的有價(jià)值數(shù)據(jù)智能地增強(qiáng)我的大腦，將意識(shí)的即時(shí)流從我的鍵盤激起到電腦屏幕上就好了。

好吧，你不是來(lái)了解我的寫作問(wèn)題的。我們?cè)谶@里討論 BCI。

什么是腦機(jī)接口？

BCI 應(yīng)用程序正在迅速改變醫(yī)療設(shè)備行業(yè)，并將繼續(xù)這樣做，因?yàn)樗鼈兊暮锰帯CI 應(yīng)用程序是指允許用戶與計(jì)算機(jī)交互、測(cè)量用戶大腦活動(dòng)的設(shè)備。電活動(dòng)最常通過(guò)腦電圖 (EEG) 測(cè)量，識(shí)別大腦的能量和頻率模式。人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 可提高評(píng)估和開(kāi)發(fā) BCI 應(yīng)用程序的準(zhǔn)確性和可靠性。在下文中，我們將研究這個(gè)領(lǐng)域以及測(cè)量腦電波和其他身體功能所需的信號(hào)鏈中的一些關(guān)鍵電子元件，以及人工智能如何將它們組合在一起。

腦機(jī)接口與腦電圖

人腦產(chǎn)生振蕩電子電壓。這些電壓的典型值是最小的，以百萬(wàn)分之一伏的數(shù)量級(jí)為單位測(cè)量。收集和分析這些腦電波電壓的最常見(jiàn)方法是通過(guò)腦電圖 (EEG)。腦電圖是一種電生理監(jiān)測(cè)方法，用于記錄頭皮上的電活動(dòng)。它捕獲與頭骨正下方發(fā)生的腦電波直接相關(guān)的信號(hào)（圖 1）。

通過(guò) EEG 的 BCI 可以是單向的（單向）或雙向的（雙向）。雙向允許信息雙向流動(dòng)，從而使大腦能夠接受反饋和未來(lái)的調(diào)整。腦電圖可以是侵入性的、半侵入性的或非侵入性的。侵入性腦電圖涉及直接定位設(shè)備并將其連接到人腦中。半侵入性腦電圖可以放置在大腦和顱骨之間。非侵入性通常是通過(guò)在頭骨上放置一個(gè)帶有各種電極的帽子來(lái)完成的。腦電圖提供 @ 0.05 秒的時(shí)間分辨率和大約 10 毫米的空間分辨率。除了腦電圖采用的電技術(shù)外，其他技術(shù)也可用于收集數(shù)據(jù)。這些技術(shù)可以采用磁性、代謝或其他形式。

腦電波根據(jù)其頻率分為五個(gè)一般類別之一（表 1）。醫(yī)學(xué)研究人員將它們分成若干條帶，因?yàn)槊總€(gè)條帶代表大腦在執(zhí)行其功能時(shí)的不同運(yùn)作方式。例如，記憶和回憶等關(guān)鍵活動(dòng)尤其發(fā)生在 theta 波段，但并非完全如此。研究人員使用這些波段來(lái)分析如果信號(hào)太少、太大或最佳數(shù)量可能會(huì)發(fā)生什么。

表 1：腦波帶的五個(gè)一般類別。每個(gè)頻率范圍都是標(biāo)稱值，不一定是絕對(duì)值。（來(lái)源：作者）

腦電圖獲取腦電波信號(hào)并將其數(shù)字化。然后對(duì)它們進(jìn)行信號(hào)處理，提取特征，翻譯算法進(jìn)行分類。它們也可以打印出來(lái)或記錄下來(lái)以供將來(lái)分析。信號(hào)輸出可用于形成設(shè)備命令，以提供與電機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)/運(yùn)動(dòng)和環(huán)境條件或刺激相關(guān)的指令。BCI 幫助殘障人士更好地控制他們的外部環(huán)境。

BCI 和人類狀況

由于人類生物學(xué)，我們的感官和智力有根本的局限性。可以想象，腦機(jī)接口和植入物可以增強(qiáng)或提供新的感官信息并增強(qiáng)生物能力。人機(jī)融合的首要考慮是理解機(jī)器和人如何實(shí)時(shí)交互和交換信息，因?yàn)樗麄冊(cè)趦蓚€(gè)不同的領(lǐng)域中運(yùn)行。仍有更多工作要做，以了解指導(dǎo)大腦的可單獨(dú)尋址神經(jīng)元的相互協(xié)調(diào)如何在其環(huán)境中發(fā)揮作用，同時(shí)保持與界面的數(shù)字可尋址域的協(xié)調(diào)。

腦機(jī)接口研究

BCI 也正在接受調(diào)查，以尋找?guī)椭祟惖念I(lǐng)域，包括恢復(fù)或增強(qiáng)人類視力、殘疾肢體的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)，以及大腦繪圖以幫助恢復(fù)和糾正各種神經(jīng)損傷和疾病。大腦映射可以讓人們更好地理解人類思想是如何轉(zhuǎn)化為人類行為的。它可以導(dǎo)致增強(qiáng)的人類學(xué)習(xí)、新的或增強(qiáng)的人類感知以及新的嵌入式自主神經(jīng)系統(tǒng)。讓我們看一下 BCI 可以繼續(xù)發(fā)展和引領(lǐng)的兩個(gè)例子。

超人認(rèn)知

億萬(wàn)富翁埃隆馬斯克正在積極調(diào)查 BCI 問(wèn)題。他是 Neuralink Corp. 的創(chuàng)始人之一，這是一家開(kāi)發(fā)植入式腦機(jī)接口的神經(jīng)技術(shù)公司。Neuralink 正致力于構(gòu)建更好的與大腦交流的工具。這些創(chuàng)始人相信，有了合適的團(tuán)隊(duì)，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用是無(wú)限的。Neuralink 正在探索將允許神經(jīng)活動(dòng)的超細(xì)電子線嵌入大腦的可能性。

馬斯克的既定目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)“超人認(rèn)知”。發(fā)明家和未來(lái)學(xué)家 Ray Kurzweil 認(rèn)為，人類智能的特點(diǎn)是具有非凡的模式識(shí)別能力。他將人類智能視為在生物模式識(shí)別機(jī)器的環(huán)境中運(yùn)行的進(jìn)化的、自組織的等級(jí)系統(tǒng)?；谒Ｍ祟惛炀毜乩斫飧鼜?qiáng)大的人工智能的出現(xiàn)和傳播的愿望，馬斯克有動(dòng)力實(shí)現(xiàn)超人的認(rèn)知，人工智能在模式識(shí)別方面的卓越表現(xiàn)越來(lái)越出色。

新感官

在研究 BCI 如何增強(qiáng)人類感官時(shí)，可以考慮 Cyber Foundation 聯(lián)合創(chuàng)始人尼爾·哈比森 (Neil Harbisson) 的案例。他被公認(rèn)為世界上第一個(gè)電子人。Harbisson 天生就是色盲，他已經(jīng)在他的頭骨中永久性地安裝了一個(gè)天線，這樣他現(xiàn)在就可以真正地聽(tīng)到顏色，用他的聽(tīng)覺(jué)代替他的視覺(jué)限制。Harbisson 積極倡導(dǎo)人類將技術(shù)融入身體的未來(lái)。

傳感器集線器

為了支持這些努力，傳感器集線器正以各種方式用于收集 BCI 之外的其他生物識(shí)別信息。傳感器中樞使用多個(gè)傳感器和一個(gè)微控制器來(lái)收集和分析腦電波無(wú)法直接訪問(wèn)的大量人體參數(shù)。這些可以包括收集有關(guān)人體脈搏心率、脈搏血氧飽和度 (SpO 2 ) 和估計(jì)血壓的信息。

確保高質(zhì)量數(shù)據(jù)

由于大腦信號(hào)非常小，因此在其設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮整個(gè)電子信號(hào)鏈，以最大限度地減少噪聲、雜散或偽信號(hào)?；颊呖赡軙?huì)通過(guò)身體運(yùn)動(dòng)、出汗、眼球運(yùn)動(dòng)、心律等誘發(fā)這些來(lái)源。電氣錯(cuò)誤可能由 50Hz/60Hz 噪聲、電極-皮膚接觸問(wèn)題和電纜移動(dòng)引起。

成功的電子元件選擇將集中于利用高精度、低噪聲、高分辨率信號(hào)鏈產(chǎn)品。選擇低噪聲放大器 (LNA)、單位增益緩沖器和精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以防止將不需要的信號(hào)引入鏈中，同時(shí)提供準(zhǔn)確可靠地解析數(shù)據(jù)的能力。差分放大器和帶通濾波器也被用來(lái)確保只傳輸高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。需要適當(dāng)?shù)?a target="_blank">連接器和跳線才能將準(zhǔn)確的信號(hào)傳入和傳出大腦。讓我們看看 Molex 如何提供這些解決方案。

連接到大腦

Molex 0.25 毫米間距 Premo-Flex 跳線在緊湊型設(shè)計(jì)中為緊密封裝應(yīng)用提供可靠的連接（圖 2）。這些跳線為幾乎所有行業(yè)的印刷電路板 (PCB) 連接提供耐用、超靈活、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。這些 FFC/FPC 跳線具有標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度、間距和電路尺寸，可滿足兩個(gè) PCB 之間的各種靈活互連要求。Molex 0.25 毫米間距 Premo-Flex 跳線非常適合醫(yī)療應(yīng)用，包括患者信號(hào)監(jiān)測(cè)，包括身體狀況、手術(shù)設(shè)備和遠(yuǎn)程醫(yī)療。

圖 2：Molex 0.25 毫米間距 Premo-Flex 跳線在緊湊型設(shè)計(jì)中為緊密封裝應(yīng)用提供可靠的連接。（貿(mào)澤電子）

Molex 0.25 毫米間距 Easy-On FPC 連接器提供 50V 額定電壓、50MΩ 絕緣電阻和 150VAC 介電耐壓（圖 3）。這些連接器為設(shè)計(jì)人員提供了一系列尺寸和樣式以適應(yīng)其他 PCB 組件。Molex 0.25 毫米間距 Easy-On FPC 連接器是下一代醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。

圖 3：Molex 0.25 毫米間距 Easy-On FPC 連接器提供 50V 額定電壓、50MΩ 絕緣電阻、150V交流介電耐壓，是下一代醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。（貿(mào)澤電子）

人工智能與腦機(jī)接口

AI 及其子集，包括機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí) (DL)，正在支持基于腦電圖的 BCI 中的方法（圖 4）。DL 可以提供 EEG 信號(hào)的自動(dòng)分類。這項(xiàng)工作允許將數(shù)據(jù)用于各種應(yīng)用程序和其他卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 訓(xùn)練。目前，人類專業(yè)知識(shí)支持人工智能方法。我們的愿望是消除偽影，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，并繼續(xù)實(shí)現(xiàn) AI 技術(shù)的收益，以便測(cè)量的腦電波信號(hào)可以繼續(xù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，從而被 AI 通過(guò) DL 技術(shù)進(jìn)行分類。

圖 4：人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)隨時(shí)間的發(fā)展。（來(lái)源：elenabsl/Shutterstock.com）

結(jié)論

基于 EEG 的 BCI 依賴于高性能電子信號(hào)鏈。需要仔細(xì)考慮所有關(guān)鍵電子元件，包括緊湊設(shè)計(jì)中的可靠連接，才能準(zhǔn)確測(cè)量 EEG 和其他身體功能。AI 和 DL 技術(shù)使動(dòng)態(tài) EEG 數(shù)據(jù)能夠得到更好的解釋，并讓人類從 BCI 中獲得更多好處。BCI 將繼續(xù)成為人機(jī)交互的新興方法。有一天，它可能會(huì)治愈我們遇到的任何精神障礙，尤其是任何作家最終都會(huì)面對(duì)的空白頁(yè)面。

作者

Paul Golata 于 2011 年加入貿(mào)澤電子。作為高級(jí)技術(shù)內(nèi)容專家，Golata 先生負(fù)責(zé)推動(dòng)戰(zhàn)略領(lǐng)導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行以及先進(jìn)技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的整體產(chǎn)品線和營(yíng)銷方向。他通過(guò)創(chuàng)建獨(dú)特且有價(jià)值的技術(shù)內(nèi)容，為設(shè)計(jì)工程師提供最新信息，促進(jìn)和提升貿(mào)澤電子作為首選分銷商的地位。在加入 Mouser Electronics 之前，他曾在 Hughes Aircraft Company、Melles Griot、Piper Jaffray、Balzers Optics、JDSU 和 Arrow Electronics 擔(dān)任過(guò)各種制造、營(yíng)銷和銷售相關(guān)職務(wù)。Paul 擁有伊利諾伊州芝加哥德銳理工學(xué)院的 BSEET；加州馬里布佩珀代因大學(xué)工商管理碩士學(xué)位；在德克薩斯州沃思堡的西南浸信會(huì)神學(xué)院獲得 MDiv 和 BL，以及博士學(xué)位。

審核編輯黃宇