资讯科技与神经工程 作者：梁胜富　成功大学资讯工程学系／医学资讯研究所 原本是科幻小说产物的电子眼、电子耳、脑机介面、颅内电刺激器等，如今在临床上已逐 渐实现，这些技术都属於一个称为「神经工程」的新兴领域。 神经工程 神经工程的特色是利用工程技术所开发的系统或装置，与神经直接连结互动，接收神经讯 号，或把讯号传递给神经。电子眼与电子耳就是把影像或声音转换成电讯号，传递给视觉 与听觉神经，让大脑可以感受到视觉与听觉刺激。 脑机介面利用脑波及其他非肌肉通道，协助人类传递所欲表达的讯息或控制命令，这管道 可让神经或肢体受创的人与外界沟通。颅内电刺激器则可以产生特定的电流讯号，并输送 至特定的大脑区域，以减缓大脑神经疾病如帕金森氏症或癫痫所产生的症状。 其中，脑机介面与反应式颅内电刺激器都以资讯技术为核心，需要即时感测与分析脑波讯 号，高度整合了电子与资讯技术。 脑机介面 脑机介面是利用脑部讯号让使用者可以直接与外界沟通。这项技术的基础在於，当大脑进 行某一项特定活动时，会产生对应的脑波变化，因此透过监测与辨认目标脑波的变化，可 达成与外界沟通及控制的目的。 功能 脑机介面是一种有别於传统透过讲话、手语以牵动肌肉与外界沟通的方式，而是利用脑波 及其他非肌肉通道，协助传递所欲表达的讯息，这种沟通与控制的方法也是一种操控机器 的新模式。 许多罹患神经肌肉疾病但脑部功能正常的人，例如脑干中风、脊髓损伤的病人，或运动神 经元受损的渐冻人，没有办法透过原本肌肉牵引的沟通管道表达意念，脑机介面则为这些 病患提供了与外界沟通的一扇窗。 基本架构 脑机介面的主要架构包含生理讯号量测、脑波讯号处理、辅助装置控制等子系统。 讯号撷取—在脑机介面开发的过程中，首先必须量测脑波或其他生理讯号。方法是把电极 放置在头皮上，量测表面脑电波，或把电极植入脑皮质层，量测皮层脑电图。由於脑波讯 号相当微弱，因此必须透过放大器放大，并转换成数位讯号，以利电脑分析与运算。 讯号处理—脑电讯号经分析与解读，了解使用者所欲表达的意图後，再根据欲控制的对象 ，转换成适当的控制指令或沟通讯息。目前最成功的应用是利用想像左右手指移动时，会 对左右脑运动区分别产生的 8～12 赫兹成分波有抑制的特性，来解译使用者所欲传达的 命令，并用来控制不同的辅助装置。 受控装置—最後把控制讯号传送至受控装置以达成任务，例如控制电脑游标、字元输入介 面、轮椅与义肢等。 脑机介面的出现造成一般大众过多的幻想，以为这一技术可以利用脑波读取人类的思想与 意念。其实就现阶段而言，它的运作原理是根据大脑神经的运作特性加以转换运用。例如 ，开关电灯时，需要产生相对於开与关的两种脑波型态，让系统可以分辨使用者的意图， 因此源头在於人类如何产生不同且可重复出现的两种特定脑波型态。 神经科学家发现，当我们动左手时，头顶中央右脑区的 8～12 赫兹成分波会有减弱的现 象；当运动停止後，这一成分波就恢复至正常强度。当动右手时，同样现象也会在左脑出 现。因此这个运动与脑波反应的关联就可用来控制开关。 假设动左手代表开，动右手代表关。若在实验者的左右大脑中央运动区各摆放一电极，当 实验者运动时，分析其脑波讯号，就可判别那一侧电极的 8～12 赫兹成分波是否有减弱 的现象，而另一侧较无明显变化，就能推论使用者意图要开或关电灯。若大脑两侧都无这 现象，则可推论使用者无意动作。 研究也显示这个 8～12 赫兹成分波会变化的现象，即使是想像而非实际动手也会出现， 因此神经肌肉疾病患者确可透过这个介面与外界沟通。 未来发展 除了可提供患者与外界沟通的服务外，脑机介面对一般人而言，也可透过生物反馈技术， 了解其工作时的精神状态与专注程度。 生物反馈技术在生物工程、认知科学、教育、心理学、精神医学，以及许多医学研究中越 来越受注目。在训练过程中，可即时分析特定频率的脑电波变化，并回报给使用者，使其 归纳出可有效改变脑波强度的策略，以达成放松、专注等不同的训练目标。 倘若脑波感测器与分析装置能微小化、无线化，介面系统更聪明并可随身携带，脑机介面 将更能生活化与实用化，造福众多患者与一般大众。 颅内电刺激器 上述的生物反馈，是让人类利用自我训练来强化或减弱某些特定脑波型态，颅内电刺激器 则是另一种方式，它把外力（如电流）直接送入大脑以抑制不正常状态。在现阶段，有些 严重的帕金森氏症与癫痫患者的治疗会遇到瓶颈，而利用植入式颅内电刺激器改善病患的 诊疗品质，已成为神经工程重要的发展方向。 帕金森氏症患者会有颤抖、僵硬、运动迟缓等症状，若以药物无法控制或有严重副作用时 ，在大脑视丘下核给予电刺激就成为目前临床采用的方案。癫痫则是脑细胞异常同步放电 所造成的脑功能失调症，发作时会有暂时失去意识、抽搐等症状。约有 25％ 的病患无法 以药物或手术切除癫痫脑区来抑制病灶处的异常放电，因此迷走神经电刺激与深部颅内电 刺激便成为抑制癫痫的替代选择。 迷走神经刺激术是持续性给予特定微量电刺激至迷走神经，可有效减少癫痫发作频率，已 获得许多国家批准使用。而反应式深部颅内电刺激，目前正在进行的人体试验，希望当癫 痫发作时才给予电刺激，以减少神经接受刺激的次数。 开回路与闭回路 前面所提应用於帕金森氏症的颅内电刺激或应用於癫痫症的迷走神经刺激，若是持续地给 予特定电刺激，不需要分析判断的，就称为开回路。 抑制癫痫的反应式颅内电刺激，运作方式是持续监测脑波讯号，当侦测到癫痫发作时，立 即启动电刺激器，给予电刺激抑制大脑异常放电，当脑波恢复正常状态时，则关闭电刺激 器。这方式因为系统必须分析大脑讯号，所以大脑与癫痫控制器形成一个闭回路系统。 基本架构 根据上述，闭回路癫痫控制系统需具备以下的运作功能：脑波讯号撷取—把微弱的脑电波 讯号放大至类比数位转换器所能操作的范围，并使量测讯号数位化；即时癫痫侦测—即时 分析脑波讯号，若侦测到癫痫发作，立即启动电刺激器；电刺激器抑制癫痫—当接受到启 动指令时，电刺激器传送电刺激至特定脑区（如大脑视丘下核），以抑制癫痫异常脑波。 当癫痫侦测器判定脑波恢复正常时，则关闭电刺激器。 脑机介面与闭回路颅内电刺激器有许多相似的地方，例如都需要量测脑波讯号并进行即时 分析，因此脑波讯号即时分析是这两套系统不可或缺的必要技术。 系统要求 系统要实际应用於患者，至少要满足：微小化—才能装置在患者身上，而不至於影响到日 常生活。侦测准确率高且延迟时间短—这包含 3 个条件，首先癫痫发作时务必要侦测到 ，尽量减少疏漏；其次，不要误判，以免在正常状态下启动电刺激器；最後，在癫痫发作 时尽速发现与反应，若患者已昏迷，或过度放电大发作时才侦测到，那就太迟了。可长期 运作—由於电子系统须靠电池供电，而系统大多装置於皮下，若常需开刀以换电池，会严 重影响患者的生活。 未来发展 虽然闭回路深部颅内电刺激系统已进行人体试验，但仍有许多可改善的地方。例如，可在 体外直接对电池充电的方法；发现最有效的电刺激区域与刺激型态；癫痫侦测方法可在系 统运作时，即时分析所侦测到的讯号，进而自我调整系统参数，以达到更佳的侦测效果； 与不同治疗方式结合，例如与药物释放系统整合以达到更佳的癫痫控制成效等，都是未来 可持续发展的目标。 由以上对脑机介面与颅内电刺激器的介绍可发现，资讯科技在神经工程发展上扮演着相当 重要的角色。然而若没有与电子、机电、神经科学、生物医学等不同领域技术结合，也不 能发展出这些高度整合功能的装置与系统。因此跨领域的人才培育与研究团队的密切合作 ，是资讯科技未来发展的趋势与挑战。 相关附件：《科学发展》2011年5月，461期，32 ~ 36页 -- 网址： http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=12985&ctNode=40&mp=1 --

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