“脑机接口神经技术组织”是由IEEE(电气与电子工程师协会)于年5月发起的一项标准化行业连接(StandardsIndustryConnection)建议,它通过成立该组织来推进脑机接口行业标准化活动。
该组织聚集了来自神经科学家、研究机构和政府机构的利益相关者,致力于解决脑机接口领域现有标准中的差异问题,以及提高研究者对该领域标准化重要性的认识。
《标准路线图:脑机接口的神经技术》正是这个小组的一份产出。它概述了脑机接口神经技术领域现有、及正在制定的标准。除了回顾最新的标准化工作外,本文档还报告了通过与社区成员进行的在线调查收集的对标准化工作的意见,并就标准化的具体内容的优先级提出了一些建议。
接下来的一段时间,我们会与大家分享该文档的节选。
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末端执行器的分类
脑机接口系统的关键是利用从神经系统中获得的信息来建立整个人工设备(后文末端执行器)的交互机制。这些末端执行器包括假肢、外骨骼、视频游戏或反馈设备。因此,脑机接口系统的开发需要集成融合多种技术的驱动机制。这些驱动技术的涉及目的和工作条件还需要适配于面向消费者的和临床的应用。
末端执行器系统有七个大类:
上肢外骨骼下肢外骨骼上肢假肢下肢假肢电动轮椅神经刺激设备虚拟/增强现实(VR/AR)以下是这七类末端执行器的发展情况简介。
外骨骼、康复和辅助机器人平台
上肢外骨骼
商业和学术或私人研究机构中已经开发出来大量的上肢外骨骼(至少80个),它们主要用于受伤的(最常见的是中风)肩、肘和腕关节的康复。这些外骨骼使用了多种控制方案,比如力控制、阻抗控制、PID控制,还可以通过以神经信号作为EMG和EEG的输入来充当脑机接口的末端执行器。而对于侵入性获取的信号(如ECoG或微电极阵列)的研究还不太多。
下肢外骨骼
下肢动力机器人设备一般应用于运动受限个体的辅助和康复。这些设备使个人能够以以前不可用的方式行走和锻炼。
这些设备分为两类:可穿戴关节执行器或固定在平台上的设备,比如基于跑步机或基于桨的设备。
动力矫形器使用外部动力一般通过电动、气动或液压致动器帮助一个或多个瘫痪的下肢关节运动。美国食品和药物管理局(FDA)已将外骨骼认定为具有特殊控制的II类医疗器械,并已批准四种外骨骼器械在美国上市:ReWalkPersonal(ReWalkRobotics,以色列)、Indego(ParkerHannifin,美国)、EksoGT(EksoBionics,美国)和MedicalHAL(Cyberdyne,日本)。
上肢假肢装置
动力上肢假肢使截肢者能够恢复许多日常活动所需的手臂和手部功能。因为机器人技术和控制的进步,高度灵巧的手部运动所需的各个关节可以进行更精细的操作。
肌电控制是一种流行的上肢设备高级控制方案,它通过激活残余肌肉进行直接的控制。先进的手术技术,如靶向肌肉神经再生,允许在肩部的高度植入肌电控制设备。
很少有研究通过脑机接口探索机器人手臂和手的实时控制。已经有研究通过手术植入的微电极与瘫痪的四肢一起控制机械臂;还有研究尝试使瘫痪的受试者使用皮层电图(ECoG)来控制机械臂,并使用脑磁图(MEG)来控制机械手。通过头皮脑电图控制在接触物体期间手部的形状。
下肢假肢装置
动力下肢假肢装置是假肢技术中相对较新的部分。迄今为止,还没有脑机接口控制的动力下肢假肢。然而,肌电装置(EMG驱动)相关的研究比较深入,已经进入了商业实体开发阶段。
电动轮椅
脑机接口控制的电动轮椅可增强与恢复活动能力。关于这类设备已经有了相关研究,但目前美国市场上还没有脑机接口控制的电动轮椅。该类别的研究人员已经评估了信号采集、特征提取、分类算法和控制模式的各种特征。在商业化发展中,脑机接口驱动的轮椅销售的设备应明确建立大脑监测技术与末端执行器之间的通信方法、控制机制、限制和停止系统,因此急需开发用于评估设备使用安全性和有效性的标准性能指标。
神经刺激
外周刺激
神经肌肉和功能性电刺激(FES)系统已经广泛应用,一般用于充当诊断工具、康复治疗或恢复受损的机体功能。
BMI-FES系统已被用作康复工具,其中BMI检测运动意图,FES系统刺激肌肉与驱动肢体。许多研究已经证明BMI-FES系统可用于中风和脊髓损伤人群的康复。此外,也有研究致力于使用周围神经刺激充当向截肢者提供触觉反馈的手段。
研究表明,正中和尺神经束内多通道刺激的变化参数使经桡骨截肢的受试者能够识别被假肢抓住的物体的触觉特征。下肢假肢也正在进行类似的刺激。
经颅刺激
经颅脑刺激的崛使得在健康成人或是患有神经或精神疾病的患者中对大脑和认知增强的研究激增,增强的含义是通过任务表现改善认知功能,或逆转认知缺陷。在经颅磁刺激(TMS)中,电流瞬时通过位于参与者头皮上相关区域上方的磁线圈,产生一个不断变化的磁场,该磁场穿过颅骨并在下面的皮质组织中感应出足以改变神经放电的电流。
经颅电刺激(TES)是另一种通过头皮电极施加弱电流的技术。最常见的方法是使用弱直流(DC)电流(1-2mA)的经颅直流电刺激(tDCS)。正极性(阳极)通常用于促进神经元放电,而负极性(阴极)用于抑制神经元放电。其他方法包括应用电流振荡模式(经颅交流电刺激,tACS)或随机模式(经颅随机电流刺激,tRCS)。
颅内刺激
侵入性神经技术是促进我们对大脑的理解以及通过颅内刺激治疗脑功能障碍的重要工具。使用深部脑刺激(DBS)已被证明是一种有价值的临床方法,可缓解帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍和强迫症的症状。
此外,科学家也在积极研究颅内刺激对其他精神疾病(如抑郁症、强迫症或成瘾)可能的积极作用;研究使用皮层内微刺激(ICMS)作为一种可以向神经假体使用者传达触觉信息的技术。在这种方法中,刺激电极被植入感觉运动皮层。在这种方法中,假肢中传感器捕获的力测量值被转换为ICMS脉冲,以引起用户的不同感知。对非人类灵长类动物的实验证明了刺激信息(纹理、肢体运动方向)可以通过这种方式成功传达。
新兴技术——光遗传学
光遗传学结合了光学和遗传学来控制和监测生命组织中的单个神经元活动,并实时精确测量这些活动的影响。
光用于控制转基因活组织(主要是神经元)中的细胞表达光敏离子通道。神经元细胞膜中光敏蛋白的体细胞表达改变了光照后神经元的电状态。不过这项技术仍处于动物模型阶段。
年发表的一篇论文报道了“一种可注射的细胞级光电子器件,它在光遗传学中提供了无与伦比的操作模式,包括对自由移动的动物进行完全无线和程序化的复杂行为控制。”此外,年2月发表的一篇论文报道了一种灵活的皮下植入物,该植入物结合了无线近场通信(NFC)——用于电力输送和无线通信——使用光电子学来瞄准光遗传学应用。
另一项研究提出了一种可打印的透明μECoG电极,该电极显示出良好的生物相容性,适用于可定制的慢性植入物。它通过使用超声微流体打印技术用于光遗传学应用,可以与光遗传学和脑机接口应用相结合,在未来可能用于神经系统疾病诊断和康复。
增强/虚拟现实(AR/VR)
VR和AR系统已经有了多种商业化应用。研究人员使用不同的大脑信号和神经特征来控制虚拟环境中的对象。虚拟对象包括拟人化对象(例如人类化身或四肢)/非拟人化对象和图形用户界面。其中,显示类型包括头戴式显示器、电脑显示器、透明视频、VR耳机和AR耳机。