新型脑控轮椅“想”去哪就去哪(组图)

2015年07月28日 13:41
来源：南方都市报作者：陈显玲

“醒着”的“植物人”对着眼前的电脑屏幕，屏幕上方有一道算术题“3+5=？”，屏幕下方有两个数字键在交替闪烁，一个数字是“8”，另一个是“6”。

←7月21日，华南理工大学脑机接口实验室，何盛鸿在操作脑控轮椅。他头上戴的电极帽收集脑电信号传给电脑。

↑7月21日，华南理工大学脑机接口实验室，何盛鸿在操作脑控轮椅。

李远清教授

原标题：华工李远清教授团队研究脑机接口技术，能检测“植物人”的意识，希望帮残障人士实现自理

新型脑控轮椅“想”去哪就去哪

作者：陈显玲

“醒着”的“植物人”对着眼前的电脑屏幕，屏幕上方有一道算术题“3+5=？”，屏幕下方有两个数字键在交替闪烁，一个数字是“8”，另一个是“6”。医生和家属屏息等待着。病人不能动作没法发声，但几秒钟后，正确答案“8”保留在屏幕上，意味着“植物人”会做这道算术题，并且计算机读出了“植物人”的回答。

这并非科幻电影里的场景。华南理工大学李远清教授带领的脑机接口团队，正通过人脑与电脑的沟通，尝试找出有意识的“植物人”患者，甚至让他们可以表达简单的想法。

轮椅怎么实现“脑控”？电脑从脑电信号解读出你想去哪

7月21日，华南理工大学暑假的第一天，在3号楼5楼左侧的脑机接口与脑信息处理研究中心，三四十名硕士生、博士生还在紧张地忙碌着。

实验室里，加入李远清教授团队4年的博士生何盛鸿，正操作一辆特殊的轮椅。轮椅由普通轮椅改造而成，并安装了三维摄像头，用来探测前方的障碍物。扶手处加装了控制盒，轮椅前加装的搁板上放着一台笔记本电脑，用导线连接着脑电数据采集设备。

这是李远清团队针对高位截瘫无法自理的残疾人士，研制出的新型脑控轮椅。

摄像头自动扫描房间里的区域，电脑显示出像棋盘格一样的众多粉色和蓝色候选目标点。何盛鸿看着某个粉色目标点，该系统就会产生选择动作，将所有粉色目标点保留，去掉蓝色目标点，并将剩下的目标点重新标为粉色和蓝色。

经过这样四五次的选择，电脑通过从何盛鸿戴的电极帽获取到的脑电信号中，解读出了他想去的目的地。然后，自动导航系统自动规划一条能绕过房间内障碍物的路线，并控制轮椅沿此规划路线将何盛鸿送到预设的目的地。

李远清团队还开发了另一种纯脑控的轮椅。每个人想象左手和右手运动的时候，头皮上的脑电位反映出的特征是有区别的。再加上视觉刺激产生的电位，就得到多种信号模式。区分这些信号模式，就可以得到多个控制命令，把它们对应成轮椅的不同动作，如左转、右转、加速、减速、启动、停止。这样就能让一个手脚动不了的高位截瘫病人，用“意念”来操控轮椅。

现在，团队还在为完善轮椅继续努力，如何盛鸿希望提高轮椅的停止功能。“电脑不知道轮椅什么时候要停止，所以要一直去判断，并尽量不要误判。因为这是实时的系统，残疾人坐久了轮椅，脑电波模式发生变化，判断就有可能出错”。之前判断一个停止命令，需要四至五秒，何盛鸿他们希望进一步缩短停止需要的时间，解决误判的难题。

捕捉微弱脑信号提取分析和解读都是难题

华南理工大学自动化科学与工程学院院长、脑机接口与脑信息处理研究中心主任李远清研究脑机接口技术已经11年。

脑机接口是在人或动物大脑与外部设备间建立起直接通路，其大致原理是：系统采集用户的脑信号(如脑电波)，并将脑信号输入计算机进行实时处理，挖掘出反映人脑意图的信息，进一步将这些信息变成控制指令，来实时控制外部设备。外部设备的控制效果又反馈给用户，用户可以依据这个反馈来调整脑控制策略，进一步提高控制效率。

通过脑机接口，人脑可以直接控制外部设备。在这个过程中，人脑起到“指挥官”作用，而发出的“命令”隐含在脑信号中，由计算机将其解读出来。

团队成员之一的俞祝良教授举了个例子，假设被试者专注于屏幕上的某个按键，这个按键突然闪烁时，大脑的神经电生理会发生变化，并在头皮表面产生电信号变化。通过仪器捕捉头皮表面的电信号，通过信号分析与处理，可以获得多种控制信号，这些控制信号组合后可以产生多种命令，从而将人脑中的想法转化为对外部设备的控制指令。

脑信号处理就是基于大脑的某些生理现象产生的信号变化，挖掘脑信号中的反映脑活动的信息，对于残疾人，就可以解读出他们大脑里难以用语言和动作表达的想法。

如何准确捕捉极微弱的脑电信号，进行提取、分析和解读，是个难题。脑机接口实验一直面临信息采集的巨大挑战。一节普通电池的电压是1.5伏，人脑头皮皮上采集的电信号大概在微伏级水平，不到电池电压的十万分之一。而且随便动一下，肌肉产生的电信号，都比脑电信号大得多。所以，脑电信号中往往带有大量的干扰和噪声，信噪比很低，处理起来非常困难。

信号采集有很多方式，李远清团队采用的主要是非侵入方式，即在头皮上贴电极来采集脑电信号。与将微电极插入大脑皮层的采集方式相比，该方式使用方便、成本较低、无伤害，但信号质量比较差，信号处理难度大。

在实验中，需要给残障人士戴上电极帽，黑色的薄帽上分布着32个凸起中空的电极，每个电极上都连接着细细的导线，对应一条通道，人脑产生的脑电波，被这一条条编成辫子一样的导线传导后，利用信号放大器增强和数字化，变身为32路时间信号，输送到电脑中进行处理和翻译。

有时，为了得到更多的信息，还会使用64导或128导电极帽，为大脑和计算机之间建立起更多通道。为提高导电性能，电极帽采集信号前，实验人员会给每个小孔滴入像牙膏或面糊一样的胶体，这种胶体能改善头皮和电极的导电效果。

另外，李远清团队正在和广东省人民医院影像科合作，利用核磁共振成像手段进行人脑信息处理机制的探索。和脑电数据相比，核磁共振采集到的数据量大得多，处理起来也更加复杂。

护理床电视电灯空调都有望用大脑来遥控

采集脑电信号，还只是第一步。脑电信号里面包含着人的想法和意图信息，如何把这些信息转化为指挥机器的命令，还需要经过信号处理和控制执行两个关键环节。

脑电波被输入电脑后，迎接它的是信号处理与模式识别算法。复杂的算法会把脑电信号翻译为控制命令，控制命令输出给外部设备，设备就能服从用户指令：如轮椅可以行走，电灯可以亮起，电视频道可以选择……

算法设计是脑机接口系统中的关键环节之一。“算法设计得好，提取用户的信息才可靠，才能更好地挖掘出用户的真实意识。如果算法设计得不好，后面的过程也就无从谈起了。”

李远清团队前两年主要精力都花在脑信号处理和脑机接口的算法上，这是第一阶段。第二阶段是在实验室里进行系统设计和系统实现，主要面向正常人。最近几年到了第三阶段，将脑机接口技术应用于病人身上。

病人观看电脑屏幕上给出的选项，计算机自动从脑电信号的分析中，读取到病人做出的选择。这一过程仅几秒钟内就可以完成，实现人脑与计算机的互动。

李远清团队在脑控护理床、脑控电视、脑控电灯等方面进行了尝试，这些设备的遥控器以前是用手来控制，现在用大脑直接控制。团队成员对遥控器进行了改造，让遥控器受计算机控制。如果要选电视频道，只要对着电脑上相应的数字键看一会，脑电信号进入计算机，经过处理和识别，计算机会给遥控器发布选台命令，电视就会跳到相应频道。

与此类似，其他家用电器都可以实现脑控。在完成脑控电视、脑控电灯的实验后，李远清团队目前正在做脑控空调，并计划将多种家用电器的控制集成到一起，用大脑来遥控，让残障人士在家里能实现最大程度的自理。

帮医生检测“植物人”是否有意识

脑机接口技术在医疗上的一个运用方向，是帮助医生辨别真正的“植物人”。

大脑严重受损的意识障碍患者，通常被称为“植物人”，他们看起来醒着，但与外界几乎完全没有交流。他们是否对环境和自身有所感知、有什么想法、病情处于什么阶段，医生很难判断。还有一些脑干受损、患了闭锁综合征的病人，特征类似“植物人”，全身瘫痪，不能说话不能动，但意识清醒。

如何从不能与外界交流的病人中筛选完全没有意识的真正的“植物人”，曾是困扰医生的医学难题。

现有的临床诊断方法是依靠行为量表，简单地说，就是靠照手电、响铃铛、喊名字等直观的行为刺激，去观察评估病人的反应。一个突出的矛盾是，这些病人往往缺乏行为反应，因而导致现在临床误判率在40%左右。而医生的诊断结果将会直接影响后面的治疗方案与治疗效果。

目前处于国际研究前沿的脑机接口技术，为医生解决这一难题提供了新的办法。如果病人真的有意识，脑电波就会有反应，这种脑电反应可以通过脑机接口系统设计让医生读到它，观察到它。

近几年，李远清带领团队与广州军区广州总医院虞容豪教授的意识障碍研究团队合作，在基于脑机接口的“植物人”意识检测方面取得了很好的科研成果，使得脑机接口技术在临床上得以应用。

李远清团队的合作者虞容豪教授，是广州军区广州总医院神经医学专科医院副院长兼神经康复一科主任，虞教授团队每年收治一两百名“植物人”。虞容豪认为，要观察病人的意识痕迹，脑机接口技术比行为学的肉眼观察更提前、更敏感，也更加科学。

李远清团队设计了一个判断病人是否认识自己的实验。计算机界面上有两张照片，一张是病人本人的照片，一张是别人的照片。“看看哪个是你自己？”能听懂话的患者，眼睛对着自己的照片看，电脑很快就会将病人的选择反馈出来。

“这是为了检测病人是否有意识。如果病人能够辨认照片、认识自己，说明他是有意识的，如果还用完全植物人的治疗方法，就是漏诊误诊”。虞容豪及其同事发现病人有意识后，就会重新制定治疗方案，脑机接口技术再次为他们和不能沟通交流的病人搭起沟通桥梁。

除了应用于意识障碍病人，脑机接口技术还可以用于运动功能障碍患者(如中风病人)的康复治疗中。在华工脑机接口与脑信息处理研究中心实验室里，一台手臂康复训练机器人安置在角落。与其他康复机器人不同，这台机器人是靠病人的大脑能驱动的。“一个很重要的康复理念是脑重塑，即重塑大脑结构”，虞容豪教授认为，病人自己用大脑主动参与康复训练，对比被动的康复训练，对脑结构影响更大。

目前，国际上脑机接口的绝大部分研究还停留在实验室阶段。李远清认为，如果采集设备使用便利，而且降低成本，那么脑机接口技术成果实现产业化，就不远了。

TA们是谁

李远清教授团队

●华南理工大学自动化科学与工程学院脑机接口与脑信息处理中心成立于2007年，主任是脑机接口领域知名学者李远清教授。团队成员包括俞祝良教授、顾正晖教授、龙锦益博士、余天佑博士、吴畏博士、贺霖博士、张智军博士。主要研究方向包括信号处理、机器学习与模式识别基础理论研究、脑信号分析(脑电、fMR I)的算法研究、脑机接口等。团队在2014年申请了广州市脑机交互关键技术及应用重点实验室，并获批成立。