腦機介面技術的運用

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1、腦機介面技術的運用隨著腦神經科學的研究突破與腦波訊號擷取的科技進步，近幾年來腦機介 面(Brain computerInterface, BCI)的技術逐漸受到重視。腦機介面是一種利用腦部 訊號來讓使用者與外界溝通的技術。此種技術的目的在於幫助因神經肌肉損傷 而行動受到阻礙的人(如肌肉萎縮、中樞神經系統損傷、重度中風的病人等)， 使他們可以不需要依靠周邊神經和肌肉，能夠使用腦部的訊號，就可以達到與 外界溝通、傳達訊息、自主行動，以及自我照顧等目的。 科學人 2006 年 10 月號提到機器人猜拳,他是藉由想像手指運動來驅動真實 的機械手，但是這與我們驅動自然的手的方式仍有差異.因為當我們假想手

2、該怎 麼動的時候我們的手是還不會作出任何動作的,除非我們真的打算現在就要怎麼 動,我們的手才會有動作.前者好像是偏重回憶的功能,後者則是偏重運動皮質的 刺激 但是也有例外,當我們在回憶或注意某些自主神經的機能或動作時雖然沒有要它 啟動,但它仍會因此而啟動該機能或動作.這種現象真的很令人困擾!人機介面大量應用在工業與商業上，簡單的區分為 Input(輸入)與 Output(輸 出)兩種，Input 指的是由人來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令 (命令)的下達或保養維護等，而 Output 指的是由機械或設備發出來的通知，如 故障、警告、操作說明提示等，好的人機介面會幫助使用者更簡單、

3、更正確、 更迅速的操作機械，也能使機械發揮最大的效能並延長使用壽命，而目前市面 上所指的人機介面則多界狹義的指在軟體人性化的操作介面上。互動(Interaction)至少包括兩個要素，一個是使用者(user)，一個是系統 (system)。Norman 的互動模式在人機互動的領域裡，Norman 的互動模式或許是最有影響力的一種模式了， Norman 的互動模式被區分成兩個主要的階段：執行 execution 和評估 evaluation，還可以進一步被區分成七個部份：1. 訂立目標 2. 組成意圖 3. 標明行動順序 4. 執行 5. 觀察系統 6. 詮釋系統狀態 7. 評估 其實以電腦而言

4、，電腦互動主要意義是以使用者為考量，而不是從設計者的概 念模型去切入，如何讓使用者能控制系統的順序、速度，怎麼注意資訊，都是 人機互動中所關心的。人機互動的關鍵在於使用者瞭解了電腦能替我們做些什 麼，及如何處理資訊，我們就可將大部份時間放在人的身上，而不是技術 領域，所以一個成功的互動係指人們告訴電腦如何去工作，而不是在技術上打 轉。 電腦界面的設計不光是單向的，而是設計者必須重視使用者的回饋，並且進行 調整，運用適當的設計，比如選單或是簡易的操作，讓使用者可以輕鬆的滿足 自己的需求，有效率的執行工作，才能讓機器發揮最大的功能。概念模型設計者或其他相關工程人員，所共同設計的操作介面稱為概念模型

5、(Conceptual Models)。使用者(Users)並無法直接與設計者(Designer)進行對話，也鮮少透過說 明書準確而有效地了解設計者的概念；透過與介面(Interface)的互動，進而對該 設計產品的功能及操作所形成的了解，則稱為使用者對於該產品所形成的心智 模型 (User Mental Model)。一般而言，使用者的心智模型是在使用中自然逐步形 成的，同時，藉由與系統不斷地互動，使用者會不斷修正其心智模型。如果到 了最後，使用者的心智模型與設計師的概念模型能一致或相當接近，那麼，介 面設計就算是相當成功了。概念模型可分為依據活動(Activities)所設計或物件(Obj

6、ect)所設計的兩種導向。想要設計出具有使用性(Usability)的介面，必須要了解活動的類型，以及人們在目 前的工具中發生了什麼問題。活動型概念模型根據活動所設計的概念模型可分為四類:1. 指令型(Instructing) 一個指令一個動作，簡單有效率，例如 DOS 作業系統 及 word。 2. 對話型(Conversing) 系統與使用者進行對話，雙向互動，但容易發生系統 誤解使用者的狀況，或是造成電話語音系統單向互動的問題。 3. 操作導航型(Manipulating & Navigating) 讓使用者用最自然的直覺去操作 介面，如蘋果開創的圖形化作業系統，還有電腦輔助系統都屬此類

7、型的 設計。 4. 搜尋瀏覽型(Exploring & Browsing) 使用者依此系統搜尋資訊，如 google 等 物件型概念模型物件導向的概念模型將重點放在處於某些特定背景情境下使用的特定物件，它 往往與其在現實生活中的原型極為類似。腦神經工程乃從基礎腦科學及認知神經科學出發，結合醫學工程、基因 工程，並引入生物科技、電子、電機、資訊、機械、材料、微機電等領域的知 識與工具，進行腦神經工程之基礎及應用研究。在腦神經科學的基礎研究上， 我們利用腦波、腦影像及各種生理訊號的量測與分析來探索人類在不同外界刺 激及各種壓力下的心理狀態變化，注意力轉移及反應過程等，進而建立工作任 務（環境） 、

8、腦信號與人體各部分感測與神經肌肉反應的三方對應關係，再結合 工程技術進行腦機介面（ Brain-computer interface ）與腦神經手術自動導引等腦 神經工程應用研究。腦機介面之研究將可幫助一般人在與他人或機器密切互動 的工作環境下（如開車） ，維持高持續認知能力，而減少失誤及對週遭情況的誤 判。 BCI 之中、長期目標為進一步研究開發侵入及非侵入式之神經或肌肉彌補 裝置（ Neuroprosthetic devices ） ( 機構或晶片 ) 以協助肢體殘障或視障、聽 障病患恢復部分功能。其中侵入式裝置（如電子視網膜、電子耳、肌肉神經電 極控制晶片等）的實驗將在交大及陽明進行動物

9、實驗後，再於陽明和榮總合作 進行臨床實驗。在腦神經手術自動引導方面，我們亦將藉由腦影像三維重建技 術，確知病灶的部位、大小，而利用機器人自動定位到影像中所規劃的部位， 以利腦部手術的進行。這部份的開發將在中央大學進行，而臨床實驗也會在陽 明及榮總進行。在腦科學研究中，台灣聯大的腦神經工程研究團隊以電機資訊 科學為研究基礎，結合生醫與臨床研究人員之努力，以期待能將研發成果應用 於廣泛大眾與腦神經病患。目前之成果簡述如下：1. 短暫性腦動態特性研究（ Study of Transient Brain Dynamics in Single Trials ）：已可排除隨機 EEG 雜訊的干擾，成功地分

10、離出事件相關腦波訊號，並藉動態 虛擬實境 (VR) 模擬技術，應證駕駛者腦波訊號與對燈號應對的行為相當一致。 此外亦提出一模糊類神經網路進行事件反應辨認，訓練組約有 90% 成功率， 測試組約有 80% 成功率。2. 建構神經感知人機互動介面： 以虛擬實境平台產生快速道路場景，同步測量駕駛者在快速道路上可能遭遇的突發狀況，以及實際量測駕駛者因為長途駕駛所反應的神經感知狀態（清 醒、失神、疲倦等）的生理反應訊號，並發展即時分析處理技術，做為神經感 知偵測 / 預估工具，目前已可達 92% 之相似度 3. 動物感測與運動神經系統研究： 已開始進行大鼠脊髓及坐骨神經損害手術以利用於癱瘓肌肉 EMG

11、訊號之 量測；已找出視網膜與電路的相似性，並開發完成一個仿生物視覺前端處理晶 片及仿大腦影像處理功能之大鄰近層細胞非線性網路晶片；已從人類臍帶血中 分離出多功能之臍帶血幹細胞，並成功地誘導這些幹細胞分化成骨骼細胞。 5. 腦神經手術用影像導引系統： 已開發重建腦組織三維磁共振影像技術以精確得知病灶的方位、大小及其與 週遭組織的相對方位關係，方便術前手術的規劃及術中確認開顱位置與大小 的正確性。同時亦發展了正交神經網路，結合光學式定位裝置來校正並補償 機器人的精度。本系統已於醫學臨床手術應用測試。國外一群由聖路易士華盛頓大學的教授、工程師及學生組成的團隊，開發出一種腦機介面系統（brain-co

12、mputer interface system），讓一名罹患癲癇症的十四歲玩家，光靠自己的想像力就能闖到星際大戰（Space Invader）的第二關。捨棄當紅的 Xbox360，這個團隊回歸到古早的 Atari 2600 遊戲機，設計出能與之連結的腦部訊號偵測儀器，在頭盔處裝上網狀的偵測器，可從腦部表層監控腦電波的活動情形，藉以偵測腦部思考時所發出的訊號，經過校準後，腦袋的思緒與遊戲機的扳機幾乎能達到同步運作，讓使用者能安心轉動大拇指，也不用擔心 game over。這個團隊希望藉由此次實驗更深入了解腦電波的奧秘，讓行動不便者也有機會展現其堅強意志力，要是能在 2040 年（還是保守點，估

13、2050 年好了）與 PS8 一起推出的話，必定能掀起一波市場熱潮。日本科學家在這個傳統上玩出新花樣，他們打造出來的機器可以看穿人類的心思，然後在機器手臂做出人類想做出的手勢，換句話說，就是可由人類心智控制的機器人。這項新奇的腦機介面計畫，由設在日本京都的國際電器通信基礎技術研究所（ATR）和本田研究所（HRI）合作。在 2005 年 5 月，ATR 和本田展示成果，他們讓一個人躺在功能性磁共振造影（fMRI）儀器中，用手比出剪刀、石頭、布。機器的學習演算法會分析 fMRI 裡血液流量變化的資料，因為血液流量和運動皮質的神經活動息息相關。解碼後的資料會傳送到機器人手臂上，然後在大約七秒內，機器

14、人手臂會重複實驗對象的選擇，準確率高達 85%。ATR 和本田的研究員會選擇 fMRI，是因為在所有讀取大腦相關數據的方法當中，fMRI 的準確度最高。fMRI 的方法不需要訓練，腦部只要自然運作即可。德國科學家發明了一種讀腦機，這種機器可以判讀腦部活動，在你還沒做出行 動前，就看穿你的意圖。讀腦機未來的應用範圍很廣，不過民眾一聽到有這種 神奇機器，都直呼太危險。可以想像，有天你的大腦再也藏不住任何秘密嗎？ 德國柏林神經科學科學研究中心研發出一種讀腦機，透過高解析度掃描，大腦 的活動一覽無疑，任何思緒或意圖都可以被清楚判讀。讀腦機不僅可以看出你 想的，連你還沒想到的，未來讀腦機也可以一併掃描，預測你的行為。讀腦機 的應用範圍很廣，包括幫助殘障人士利用大腦驅動電腦，寫 email，或是幫助店 家了解顧客對產品的喜好，甚至是用來對付恐怖份子。不過一般民眾顯然對讀 腦機有所顧忌。科學家表示，電影關鍵報告裡，民眾因為有犯罪意識而遭到逮 捕的劇情，短時間內還無法成真。不過科學界已經掌握關鍵技術，要不要讓科 技凌駕人的意識，還有待社會討論。