BrainGate臨床試驗(yàn)的參與者使用無線發(fā)射器代替了電纜[通常用于傳輸來自大腦內(nèi)部傳感器的信號(hào)]。圖片來源:Braingate.org 腦機(jī)接口(BCIs)是一項(xiàng)新興的輔助技術(shù),它能讓癱瘓的人在電腦屏幕上打字,或者通過思考移動(dòng)自己的身體來操縱機(jī)器人假肢。多年來,用于臨床試驗(yàn)的研究性BCIs需要使用電纜將大腦中的傳感陣列連接到計(jì)算機(jī)上,計(jì)算機(jī)解碼信號(hào)并使用它們驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。 在該項(xiàng)研究中,患有四肢癱瘓的臨床試驗(yàn)參與者首次演示了將皮質(zhì)內(nèi)無線BCI與外部無線發(fā)射器結(jié)合使用。該系統(tǒng)能夠以單神經(jīng)元分辨率和全寬帶保真度傳輸大腦信號(hào),而無需將用戶物理地束縛在解碼系統(tǒng)上。 這項(xiàng)研究中使用的設(shè)備最初是由布朗大學(xué)工程學(xué)院教授Arto Nurmikko實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。它被稱為布朗無線設(shè)備(BWD),其設(shè)計(jì)目的是傳輸高保真信號(hào),同時(shí)消耗最小的電力。在目前的研究中,兩個(gè)設(shè)備一起使用,以每秒48兆的速度記錄200個(gè)電極的神經(jīng)信號(hào),電池壽命超過36小時(shí)。 用于雙陣列記錄的有線和無線系統(tǒng)的組件。 如下圖所示,神經(jīng)信號(hào)獲取的路徑有所不同,但是兩個(gè)系統(tǒng)的NSP以及所有下游文件記錄,信號(hào)處理和解碼硬件與軟件都是相同的。 小型發(fā)送器最大尺寸約為2英寸,重量略超過1.5盎司。該裝置安裝在用戶的頭上,通過與有線系統(tǒng)相同的端口連接到大腦運(yùn)動(dòng)皮層的電極陣列。 BWD發(fā)射器(52mm x 44mm) BWD應(yīng)用于受試者 該項(xiàng)研究發(fā)表在《IEEETransactions on Biomedical Engineering》,兩名癱瘓的臨床試驗(yàn)參與者使用帶有無線發(fā)射器的BrainGate系統(tǒng)在電腦上指向、點(diǎn)擊和打字。研究表明,無線系統(tǒng)傳輸信號(hào)的保真度幾乎與有線系統(tǒng)相同,參與者也達(dá)到了類似的點(diǎn)擊精度和打字速度。 布朗大學(xué)工程(研究)助理教授John Simeral表示:“我們已經(jīng)證明,這種無線系統(tǒng)在功能上與有線系統(tǒng)相當(dāng),有線系統(tǒng)多年來一直是BCI性能的黃金標(biāo)準(zhǔn)。”“信號(hào)以相近的保真度記錄和傳輸,這意味著我們可以使用與有線設(shè)備相同的解碼算法。唯一的區(qū)別是,人們不再需要被綁在我們的設(shè)備上,這就為系統(tǒng)的使用帶來了新的可能性。” 研究人員解釋說,這項(xiàng)研究代表了BCI研究的一個(gè)非常重要的目標(biāo):一個(gè)完全植入式皮質(zhì)內(nèi)系統(tǒng),有助于恢復(fù)失去行動(dòng)能力的人的獨(dú)立性。雖然以前已經(jīng)報(bào)道過低帶寬的無線設(shè)備,但該項(xiàng)研究開發(fā)的設(shè)備是第一個(gè)能夠傳輸皮質(zhì)內(nèi)傳感器記錄的全頻譜信號(hào)的設(shè)備。這種高寬帶無線信號(hào)使臨床研究成為可能,而有線BCIs很難進(jìn)行這些研究。 這項(xiàng)新研究展示了其中一些新的可能性。與傳統(tǒng)的需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行BCI研究不同,2名試驗(yàn)參與者(都因脊髓損傷而癱瘓)能夠在自己家里使用該系統(tǒng)。在不受電纜束縛的情況下,參與者可以連續(xù)使用BCI長(zhǎng)達(dá)24小時(shí),從而為研究人員提供了包括參與者睡覺時(shí)在內(nèi)的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。 研究人員檢查了已記錄信號(hào)的頻譜內(nèi)容,以了解神經(jīng)活動(dòng)和/或記錄偽影的證據(jù)。在連續(xù)的5分鐘內(nèi)評(píng)估了整個(gè)24小時(shí)內(nèi)記錄的頻譜內(nèi)容(如下圖)。在以10.6 Hz和19.5 Hz為中心的頻段中觀察到了顯著的LFP活性。對(duì)應(yīng)于觀察到T10處于睡眠狀態(tài)的時(shí)間段(大約凌晨3點(diǎn)至上午9點(diǎn)),在晚上和清晨(例如,在?20-40 Hz頻段),頻譜功率發(fā)生了明顯的變化。 通過無線系統(tǒng)(后置基座)連續(xù)記錄超過24小時(shí)的T10神經(jīng)數(shù)據(jù)的頻譜內(nèi)容。x軸表示記錄時(shí)間。深色豎線表示未記錄數(shù)據(jù)(例如,發(fā)射器被移走)或嚴(yán)重中斷(高幀丟失)的時(shí)間。在右側(cè)可以看到頻譜功率的峰值為10.6 Hz和19.6 Hz。 布朗大學(xué)的研究人員表示:“我們想了解神經(jīng)信號(hào)如何隨時(shí)間演變。有了這個(gè)系統(tǒng),我們能夠在家長(zhǎng)期觀察大腦活動(dòng),這在以前幾乎是不可能的。這將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)解碼算法,從而為癱瘓患者提供無縫、直觀、可靠的通信和行動(dòng)恢復(fù)?!?/span> 論文信息: Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia sciencedaily 版權(quán)聲明:Rose編譯 |
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