新世代醫療神器 腦波機解讀思想X驅動肢體 提升人類身心健康-科學人雜誌
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新世代醫療神器 腦波機解讀思想X驅動肢體 提升人類身心健康

2021/08/31 人工智慧普適研究中心企劃製作
大腦掌管著人類的認知、動作控制、情緒調節等重要功能,而透過接受、解碼並應用腦波訊號,就能改變未來人類的未來生活方式!在陽明交大「人工智慧普適研究中心」(PAIR Labs)的支持下,中央大學電機工程系教授徐國鎧帶領跨領域團隊,基於人工智慧科技,成功開發軟硬體整合的腦波人機介面(腦波儀器),可為無法說話的路格里克氏症病患(俗稱「漸凍人」)傳達心聲、優化中風後的癲癇診斷,更能從臨床醫療、居家照護走進教育領域,延伸腦波應用的無限可能。

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人機介面/智慧醫療

中央大學電機工程系教授徐國鎧
專長研究:機電控制系統、伺服馬達控制、電力電子、AI生醫信號處理。
中央大學電機工程系教授李柏磊
專長研究:醫學工程、醫用電子、超音波、腦波分析、穿戴式裝置、腦波人機介面。
中央大學電機工程系助理教授李龍豪
專長研究:自然語言處理、人工智慧、網路資訊檢索、生醫資訊學。
▲ 徐國鎧教授投入腦波相關研究十多年,帶領跨領域團隊善用腦波訊號,改變未來人類的生活方式!


當家人住院,口中插著管子、四肢被束縛,想要表達心聲卻無法如願,親友除了猜測、除了悲憫,還能做些什麼?中央大學電機工程系教授徐國鎧從親身體驗出發,希望為身體病弱族群發聲、改善生活品質,展開了十多年的腦波相關研究,並結合系上兩位教授李柏磊與李龍豪,組成融合硬體電機、人工智慧、技術模型、語言科學、醫學工程等專業的跨領域團隊,持續精進腦波人機介面。


早在2011年團隊就成功地帶著漸凍人「視訊兜風」!戴上腦波機的漸凍人只需看著病床上螢幕的「前」、「後」、「左」、「右」區域,當腦波機量測到訊號、電腦分析腦波後,就能驅動遙控車的馬達,隨著漸凍人想去的方向移動,遙控車上搭載的攝影機也即時回傳影像,讓漸凍人以螢幕欣賞風景。2016年團隊發表第一篇關於視覺腦波人機介面儀漸凍人的研究,登上《電機電子工程師協會》(IEEE)期刊封面故事,更獲得國家生技醫療產業策進會國家新創獎、科技部未來科技突破獎、吳大猷先生紀念獎等肯定。


▲ 透過腦波機與腦波自駕模擬系統,就能夠過腦波傳達指令,驅動汽車前進、左轉與右轉。


醫療級腦波機 穿戴式裝置新星

延續多年的成果,團隊展現多元技術的創新亮點,例如基於腦波的閉迴路生理訊號,開發出腦波人機介面開發系統的硬體設計,以及腦波應用的深度學習神經網路。在硬體開發上,相較於坊間的腦波機要價數百萬、體積龐大且線路龐雜,團隊成功打造4、8、20和40通道的多通道無線腦波量測裝置,僅菸盒般大小,並採無線傳輸訊號,而且突破性地使用卷積神經網路,研發出高感度腦波乾式電極,無須再使用導電膠,告別傳統檢測的黏膩感與過敏隱憂。

這台醫療級腦波機已通過IEC60601-1-2電性安全檢測,可使用於臨床醫療領域,有望應用於漸凍人、脊髓損傷等罕病族群,以及中風、失智、憂鬱症等病患。它更大大降低腦波應用的門檻,有機會成為家家戶戶使用的穿戴式裝置,廣泛應用於健康、「亞健康」、失能的族群。未來人們除了定時量測心跳、血壓、血糖等數值,也將需要監測腦波,這類腦波機將有助於每一個人從早覺、早療,病程中監控、治療,到癒後、復健等多元面向,不只優化保健與醫療,也幫助人們迎接優良生活品質的每一天。

▲團隊研發出高感度腦波乾式電極,無須再使用導電膠,告別傳統檢測的黏膩感與過敏隱憂。

▲前方學生展示腦波機配戴應用,右起為李柏磊教授、徐國鎧教授、許顥騰博士以及李龍豪助理教授。


建立臨床資料庫 持續AI深度學習

為了驗證研發效果,團隊與台北榮民總醫院合作,進行「跨顱電刺激之大腦回饋控制」人體試驗,研究中風病人接受腦波人機介面機進行復健後的效應。團隊攜手台北榮總醫院、衛生福利部桃園醫院和聯新國際醫療集團,持續建立中風病人復健的腦波、中風病人併發癲癇的腦波、憂鬱症的腦影像、學習認知負荷的腦波、情緒腦波等八組生理訊號資料庫,用於建立人工智慧深度學習分類模型。

在台灣,有超過20萬名中風病患,癲癇是常見的中風併發症,在中風發生兩年內約有5~10%的發生率 ,因此建立中風病人併發癲癇的腦波資料庫至關重大。李龍豪指出,癲癇為腦細胞異常放電,造成腦波訊號急速跳動,透過腦波機就能為中風病患判讀是否發生癲癇,避免診斷錯誤以及後續用藥產生副作用等問題,實現精準診斷、精準醫療!

▲透過腦波機的應用,可以幫助中風早覺、癲癇預測、復健成效評估等多元面向。

▲團隊與台北榮民總醫院合作,進行「跨顱電刺激之大腦回饋控制」人體試驗,研究中風病人接受腦機介面復健後的效應。

除了醫療領域,因應108課綱與防疫需求,腦波應用也將助攻學校教育與遠距教學。李柏磊分享,團隊與台灣師範大學合作,當學生戴上腦波機,授課老師就可以獲得學生的認知與情緒資訊,即時了解學生是否專心、是否理解教學內容,調整教學步調或授課方式,進一步對接108課綱,強化學生推理與解決問題的能力。

團隊也跨出國界尋求創新突破,透過PAIR Labs的牽線,已與俄羅斯聖彼得堡PAV阿LOV科學院及美國電機電子工程師協會三方合作,進行與腦波相關的跨國人工智慧研究。在產學合作方面,則鏈結三貝德數位文創,推動明道中學研究計畫,由素養班與一般班共300名國中生參與,以腦波機解析學生的推理能力。


腦波應用大未來 2045年複製大腦

李柏磊預言腦波應用的未來三大進程,分別為解讀大腦、腦波控制裝置、複製大腦。解讀大腦是現在進行式,科學界正在透過腦波分析人類是否憂鬱、學習是否專心,也能用於提早診斷失智、中風等疾病。當解讀大腦成為可能,得以解讀人類的意識後,就可以藉由腦波控制虛擬世界的各種裝置,實現電影「一級玩家」、電玩「刀劍神域」的科幻情境。

搭配著量子電腦的強大運算能力,複製大腦的時間點可望出現在2045年!在資工專家的努力下,將設計出適合解讀人類大腦的神經網路,跟人腦之間的訊號互相模仿,進一步複製、同步運作,複製後全新的大腦可以重新學習、獨立運作,將會成為一個具有自我意識的個體!

因為腦波應用,失智症患者在未來可能無須服藥,只需透過電刺激進行大腦復健,幫助大腦受損區的神經生長復原功能;因中風而癱瘓、因脊髓損傷無法行動的肢體可望透過腦波驅動肌肉收縮、重新運作;不想出門時,只要透過腦波控制裝置,就能使喚機器代理人到住家樓下拿取外送餐點;未來開會也將走向腦波虛擬會議,由虛擬AI代理人出席,還可以自行選擇開啟區域,例如只開放大腦運動區、不開放語言區,就無需擔心真心話被知曉,兼顧便利與隱私!


【基於人工智慧的腦波人機介面開發(腦波儀器)】計畫

開發基於人工智慧(AI)的大腦人機介面系統,透過腦電訊號解碼大腦功能。開發的人工智慧腦波分析技術將應用於臨床醫療,居家照護和科學教育三大領域,例如中風和認知障礙患者的康復治療、嚴重癱瘓患者與外部環境互動、偵測學生的認知負荷和情緒狀態等。


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# 關鍵字:AINEXT人工智慧腦波腦機介面醫療
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