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机械手用意念控制

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-09-09  来源:非标设备网  浏览次数:730
 26岁的志愿者刘姑娘是一位在浙江大学医学院附属第二医院接受治疗的复杂性难治性癫痫患者。在常规用于明确癫痫病灶部位手术后的第五天,她在病房通过“意念”控制一只机械手,玩起了“石头、剪刀、布”的游戏。

8月25日,浙大附属二院神经外科与浙大求是高等研究院合作的“脑机接口临床转化应用课题组”向公众发布最新进展,他们在我国首次利用人体颅内植入电极,让“意念”控制机械手。

目前,意念控制机械手的准确率达到80%左右

其实,早在2012年,课题组经过多学科交叉研究,在猴子脑中植入电极,运用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子的“意念”能直接控制外部机械。

随着技术的成熟,课题组将大脑信号的破译对象转移到了人。课题组负责人之一、浙大附属二院神经外科主任张建民介绍,通过开颅电极埋藏术来分析大脑皮层脑电,明确癫痫病灶部位,是癫痫诊断常规手段之一。手术前,经患者及家属的知情同意和医院伦理委员会的批准,在不影响病人监测的情况下,课题组用分线器将监测的脑电分出一路,连接到脑电信号分析仪,让电脑可以“旁听”脑电信号。

在刘姑娘的病房里,电脑一头连着刘姑娘的大脑,一头连着一只机械手。当刘姑娘抬起手做出“石头”的动作,机械手像产生了“心灵感应”,也出了“石头”。实验统计,“意念”控制机械手的准确度达到80%左右。

“意念”在大脑中其实是以脑电波的形式存在的。大脑中上千亿个神经元之间通过发出微小的电脉冲相互交流,对人体运动大到行走、小至抬眉的一举一动“发号施令”。一直以来,这些神经信号就像一本“天书”,人类不知如何去读。上世纪90年代起,随着计算机等科技水平的迅速发展,一种称为脑—机接口的技术,使人类有了解读“天书”的钥匙。这种技术,致力于在大脑和外部设备(例如假肢)之间建立一条传输大脑指令的通道,让有行动障碍的人重获独立生活的能力。

随着脑电波被更准确地采集和破解,意念将可操控更复杂的动作

从猴脑到人脑,这对课题组的解码、编码、运算方式及效率等提出了挑战,并使得这一跨越更具实质性意义:猴脑与人脑解剖结构虽比较接近,但在脑功能方面存在较大差异。以这次手部动作为例,猴脑可以通过意念较好地控制手臂的活动,但手指动作这一水平的控制就远不如人脑复杂而精确。其次,猴脑中指导完成动作的脑皮层神经电信号的复杂程度也远远低于人脑皮层的动作区。此外,人的大脑活动受环境影响更大,计算机对这些信号处理的复杂性也会大大增加。

“任何基础医学研究的最终目的是应用到临床,为病人解决实际问题。课题组最初是以大鼠等小型动物为研究起点的,又进一步探索了猴子这一与人类比较接近的大型动物脑机接口实验,并成功实现了猴子的意念取食行为。在这些动物模型实验的基础上,最后过渡至如今在人脑上的应用。”浙大求是高等研究院教授郑筱祥说。这项研究是将脑—机接口技术进一步应用到人类运动功能重建领域的转化医学实践,课题组在前期动物研究成果的基础上,首次将脑机接口成功用于人,破译人脑信号,并建立了信号对机器的准确传递的研究模型,使得脑机接口技术的临床应用向前迈进了一大步。

对于科学家来说,要实现电影《阿凡达》中下身瘫痪的战士利用意念操控“混血”阿凡达的场景,关键是要研发出实时性强、准确性高、具有互适应功能的多通道神经元放电采集、处理与信息解码技术。事实上,这一研究在临床上蕴含着很广的受益人群:脑卒中后肢体瘫痪、脊髓损伤致肢体偏瘫、截瘫、肌萎缩侧索硬化(渐冻人),外伤致截肢等多种涉及运动功能障碍的患者都将是新技术未来的受益者

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