脑机接口技术在生物医学中的应用.pptx

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1、什么是脑机接口技术？脑机接口（Brain-Computer Interface 或Brain-Machine Interface)是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道,通过这种通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作,实现了大脑和外部世界的直接连接，如控制计算机、辅助技术、机器人、人工假肢甚至被试者自身的肌肉。这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,以提高患者的生活质量。第1页/共14页脑机接口的简单系统框图BrainMusclesAction第2页/共14页脑机接口技术的一些最新研究成果一、BrainGate项目由美国布

2、朗大学脑科学研究院的John P.Donoghue团队提出，通过输出型神经接口，即从大脑中读取神经信号，在大脑与外部世界间重新建立一个连接即通过重建上肢和手的运动实现对外部设备（机器或肢体)的控制。系统构成该系统包括了植入到大脑初级运动皮层区控制手的部位的一个包含100个通道的Uath电极（4mm 4mm），电极通过电缆连接到头骨的基座上（一欧元硬币大小），用一整套放大器和记录设备记录到96通道的神经信号。这些神经信号包括电位信号和Spike（锋电位）信号，利用信号处理器对以上神经信号进行解码，转换为控制命令。第3页/共14页BrainGate实验中的关键问题1、植入式电极的安全性：在植入过程

3、中由于血管被穿破导致出血，可能引起进一步的感染。其他原因还包括植入引起的神经元损伤和死亡，以及大脑的重组。2、植入式电极的功效：实验中所采用的电极阵列Uath Array,被放置在皮层的表面，是最容易导致电极失效的因素，任何引起脑内血管出血的因素都可能导致信号的消失。第4页/共14页BrainGate的应用机械手控制：主要应用于一些偏瘫患者如肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS)，患者通过BrainGate连接上假肢，在经过校正过滤之后，就能用神经信号控制假肢。在早期阶段，患者能很快实现对机械手臂的一维的准确控制，即简单上下的移动机械手。二维控制

4、实验：桌子上有一个酒杯，要求被试者将酒杯从桌子上举起，放到中间一个目标上。这里，机械手在桌面上所有的水平运动以及闭合动作都是通过神经信号控制的。第5页/共14页下一代BrainGate发展下一代BrainGate系统，外部仅需一个类似iPhone大小的神经信号处理器，内部则采用完全植入式的记录电极，在头骨外有一些电子系统，通过无线传输(Wireless implant)的方式经过皮肤将神经信号传输出来，在外部处理器（External Processor)中对信号进行处理分析。该团队里的Arto Nurmiko已经研发出了第一代的原型布朗植入芯片，可利用光学方式将神经信号传出皮肤。神经芯片的三个

5、主要部分：传感器、传输线缆和无线电子设备，都埋在头骨的顶端。第6页/共14页二、Computing Arm Movements with a Monkey BrainArjun Ramakrishnan,Peter J.Ifft,Miguel Pais-Vieira,Yoon Woo Byun，Katie Z.Zhuang,Mikhail A.Lebedev，等人提出一个Brain to Brain Interface(BtBI)，BtBI允许动物的大脑交流分享一些视觉和运动神经信息来共同实现一个行为目标。BtBI是一种混合计算系统，它包括了灵长类（主演是猴子）的大脑等生物成分同时也包括BMI

6、系统等数字部分。脑机接口技术的一些最新设想第7页/共14页BtBI实验的原理图猴子坐在单独的房间，对着电脑显示器呈现出虚拟化身的手臂第8页/共14页Shared Control Task(共享控制任务）(X,Y)position of the virtual arm was decoded during centre-out movements from the two monkeys brains with each given 50%control of the arm.第9页/共14页Partitioned Control Task（分区控制任务）X position of the ar

7、m was decoded from one monkey and Y position from the other during centre-out movements toward targets.第10页/共14页Triad Control OF 3D Movements(三组三维动作的控制）This picture shows the 3-monkey task.Each monkey observed and had 50%control over 2 of the 3 dimensions(X,Y,or Z).Together,the three monkeys must accurately perform a 3-D centre-out movement to achieve reward.第11页/共14页脑机接口的前景人脑单神经元信号对外部设备的意念控制稳态视觉诱发电位在脑机接口中的应用基于红外功能成像技术的脑机接口植入式神经接口基于脑机接口的智能机械手第12页/共14页谢 谢第13页/共14页感谢您的观看！第14页/共14页