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佐治亚理工学院开发新型可穿戴脑机接口系统,将意念转化为行动
2021-07-24 10:29:54   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

由佐治亚理工学院Woon-Hong Yeo实验室领导的一支多机构国际研究团队,将无线柔性头皮电子设备和虚拟现实(VR)技术整合在可穿戴脑机接口系统中,让用户可以通过想象一个动作来无线遥控轮椅或机械臂。

据麦姆斯咨询报道,由佐治亚理工学院开发的新型可穿戴脑机接口(BMI)系统可以改善运动功能障碍或瘫痪患者的生活质量,甚至是那些患有闭锁综合症(一个人完全有意识但无法移动或交流)的患者。

由佐治亚理工学院Woon-Hong Yeo实验室领导的一支多机构国际研究团队,将无线柔性头皮电子设备和虚拟现实(VR)技术整合在可穿戴脑机接口系统中,让用户可以通过想象一个动作来无线遥控轮椅或机械臂。

用于运动想象大脑信号检测的无线可穿戴脑机接口系统概图

图1 用于运动想象大脑信号检测的无线可穿戴脑机接口系统概图,包括便携式电子设备、可伸缩连接器和柔性微针阵列。A)虚拟现实头戴设备和柔性头皮电子设备的佩戴示意图,右上插图是可伸缩连接器的特写镜头,右下插图是柔性微针电极的特写镜头。B)微针阵列的放大照片以及微针的SEM插图。C)带有集成芯片的柔性无线电路图片,显示了薄膜电路的机械适应性。D)对运动想象的大脑信号进行分类的微针电极的位置顶视图,其中包括六个记录通道、一个参考(REF)和一个接地(GND)。E)从脑电图(EEG)记录到通过机器学习分类算法(卷积神经网络,CNN)在VR系统中控制目标的整个数据处理流程图。

该国际研究团队包括来自英国肯特大学(University of Kent)和韩国延世大学(Yonsei University)的研究人员,他们于本月在期刊Advanced Science上发表了基于运动想象的新型可穿戴BMI系统的论文。

George W. Woodruff机械工程学院的副教授Yeo说:“与目前存在的其它系统相比,这款新型可穿戴BMI系统的主要优点是佩戴柔软舒适,并且没有任何电线。”

BMI系统是一种分析大脑信号并将该神经活动转化为命令,将意念转化为行动的康复技术。脑电图(EEG)技术是无创获取这些信号的常用方法,然而这通常需要一个笨重的电极头罩和缠绕的电线网。

VR实现运动想象训练和实时控制视频游戏的演示

图2 VR实现运动想象训练和实时控制视频游戏的演示。A)研究装置概图,包括佩戴柔性头皮电子设备的实验者、从六个电极实时测量EEG数据(顶部插图),VR交互示例(中部插图)以及佩戴VR头戴设备的实验者(右下插图)。VR游戏的训练和测试过程示例。B)改进的VR视图用于测试实验者的文本和动画提示。C)为测试MI反应设计的带有清晰的彩色编码视觉提示和文本提示的视频游戏界面。D)根据目标类别评估输出示例。E)使用spatial-CNN模型比较无VR装置和有VR装置(两种类型的电极)之间的精度,证明了VR作为训练工具的优越性能。

传统的脑电图设备主要依靠凝胶和糊状物来维持与皮肤接触,需要大量的安装时间,通常在使用过程中用户会感觉不方便和不舒服。由于材料退化或运动伪像(可能由磨牙或眨眼等原因引起的附属噪声),这些设备还经常会出现信号采集不佳的问题。这种出现在脑电波数据中的噪声必须过滤掉。

Yeo设计的便携式EEG系统将极细微的微针电极与柔性无线电路集成在一起,从而改进了信号采集。准确测量这些大脑信号对于确定用户想要执行的操作至关重要,因此该研究团队集成了强大的机器学习算法和VR组件来应对这一挑战。

新开发的脑机接口系统已经在四名人体实验者身上进行了测试,但尚未对残疾人进行研究。

佐治亚理工学院电子和纳米技术研究所人机接口和工程中心主任、生物工程和生物科学Petit研究所成员Yeo指出:“虽然这仅是第一次演示,但是我们对所看到的实验结果感到非常兴奋。”

新模式

Yeo的团队最初于2019年发表在Nature Machine Intelligence上的一项研究中介绍了柔性可穿戴脑电图脑机接口系统。那项工作的主要作者Musa Mahmood也是该团队最新研究论文的主要作者。Yeo实验室的博士生Mahmood说:“新型脑机接口系统使用了一种完全不同的模式,需要想象的运动动作,例如用任意一只手抓握,这能使实验对象不必看太多刺激物。”

在2021年的研究中,用户展示了使用他们的意念(即运动想象)对VR游戏的精确控制。视觉提示提升了用户和研究人员收集信息的效果。Yeo表示:“事实证明,虚拟提示非常有用。它们加快并提高了用户的参与度和准确性。我们能够记录连续的、高质量的运动想象活动”。

据Mahmood介绍,基于他们过去的两项研究成果,新型可穿戴脑机接口系统未来的研究工作将集中在优化电极放置和更高级的基于刺激的EEG的集成上。

此项研究得到了美国国立卫生研究院 (NIH R21AG064309)、佐治亚理工学院的中心拨款(人机接口和工程)、韩国国家研究基金会(NRF-2018M3A7B4071109和NRF-2019R1A2C2086085)和Yonsei-KIST融合研究计划的支持。佐治亚理工学院有一项待审查的专利申请与本文所述工作相关。

延伸阅读:

《印刷和柔性传感器技术及市场-2020版》

《可穿戴传感器技术及市场-2020版》

《触觉技术及市场-2021版》

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