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用“脑机接口”挑战阿尔茨海默氏症
时间:2018-02-07 09:55:41来源:中国科学报
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提要:利用怎样的方式才能使潜在患者获得方便、科学又有效的预防训练?在电子科技大学生命科学与技术学院副教授刘铁军的科研团队,瞿倩、唐兴峰、刘鹏三位同学提出了他们的设想——游戏。
用“脑机接口”挑战阿尔茨海默氏症

随着中国逐渐步入老龄化社会,阿尔茨海默氏症(老年痴呆)的发病率逐年增高,发病年龄也呈现出年轻化的趋势。作为一种退行性疾病,在大脑退化前的发现和预防,对于阿尔茨海氏默症显得尤为重要。然而,利用怎样的方式才能使潜在患者获得方便、科学又有效的预防训练?在电子科技大学生命科学与技术学院副教授刘铁军的科研团队,瞿倩、唐兴峰、刘鹏三位同学提出了他们的设想——游戏。

这个别出心裁的设想与“脑机接口”专业技术知识相碰撞,顿时产生了绚烂的火花。

用脑电“玩转”虚拟世界

如何通过“脑机接口”预防老年痴呆?奥秘就在采集脑电的头带上。虽然看上去只是一条不起眼的松紧带,却能将仅有几微伏的脑电信号采集起来,然后通过蓝牙传递到计算机上。这样,玩家就可以利用脑电信号来控制计算机中的游戏人物灵活移动、躲避障碍,在虚拟世界中“跑酷”。

这个看似简单的脑电采集头带,却是队员们一年多来智慧和汗水的结晶。为了让头带能够适应不同大小的头部,与电极保持良好的接触,队员们将头带设计成弹簧和松紧的样式,可以伸缩变化,适应不同的头颅尺寸。这个创新性的设计同时提高了系统舒适度和稳定性,保证脑电信号能够被准确稳定采集到计算机中。

当终端设备接收到稳定的脑电波并经过训练后,用户就可以进行在线游戏了。游戏界面上,在四个不同方向各有一个滚动的红色竖条。用户只需注视某个方向,大脑就会诱发产生相应的脑电信号。经过特征提取和模式识别分类算法,就能使其控制游戏人物向不同方向运动,从而训练玩家的反应力、注意力、空间想象力和记忆力,锻炼脑力,减缓脑功能退化,实现对老年痴呆症的预防作用。

“这并不只是单纯地玩游戏的过程,”团队负责人瞿倩介绍道,“如果只是玩游戏,系统无法得知用户的大脑是否得到了锻炼。采集脑电信号的方式,实际上是一个具有生物反馈的过程,从游戏效果上可以得知用户当前是否全身心投入游戏。如果用户没有集中注意力,就无法控制游戏人物的运动,游戏就GAME OVER了。”

于细微处“精雕细琢”

科研之路从来不是一帆风顺的,说起他们一路走来经历过的坎坷,瞿倩感慨万千。

“最大的难点就是在电极的选择以及高性能的脑电信号采集电路设计上。”她介绍,采集脑电波的传统方法需要在前额与枕叶处打上电极膏。然而,这种方法需要严格保证被测区域的清洁。同时,由于湿电极接触稳定性差,必须反复调整,使得操作复杂程度提高,且需要专业人员协助,大大降低了系统的实用性。

于是,队员们通过大量的阅读、对比与筛选,最终确定了干电极作为脑电采集的核心材料,配套自主设计的高精度采集电路,可以和湿电极一样高质量地提取脑电信号。这样,脑电波的采集变得方便快捷,只需戴上头带、连接电脑,就能看到稳定显示的脑电信号。

“虽然你们看到的就是这么一个小小的头带,但背后的点点滴滴都是我们费尽心思做出来的。”瞿倩说,“包括一点一点把比米粒还小的电阻电容焊接到电路板上,自己在网络上找3D打印店做外壳,就连螺丝钉也是我们自己去五金店买来再一个个装上的。”

刘铁军是团队的指导老师。在项目推进的过程中,他是作品指标严厉的“把关者”,又是队员们身后坚实的后盾。

“当他们做出来的东西我不满意时,不仅会很着急,也会很严厉。”刘铁军说,在产品设计的过程中,他要求队员们必须开拓创新,拿出自己的想法。“技术和科学的问题是可以讨论的,但最终产品的评价效果,必须通过我的检验。我说不行需要继续改进就得改进,不能得过且过。”凭着一丝不苟的工作态度,同学们精益求精的作品最终获得了稳定的实验效果。

据了解,该作品在去年的第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中获得了一等奖。

对阿尔茨海默氏症的预防疗效还需要大量临床实验进行检验和评价。团队表示,未来将继续投入“脑机接口”项目其他产品的开发工作,让这项正在“冉冉升起”的技术造福更多人。谈到“脑机接口”方向的未来,瞿倩充满信心。“这个行业是朝阳产业,是未来发展的趋势。随着科学进步,我认为这个行业一定会蓬勃发展。”

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脑机接口 阿尔茨海默氏症 千人计划 千人智库

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作者系王之康 王婧仪 王仕炀 王翔

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