用于脑机接口的下一代医疗设备

光标向我闪烁，嘲弄我放下一些东西。我什么都没有，所以我通过对刷新率计时一分钟来确定它的值来娱乐自己。我发现它以 50Hz 的频率闪烁。每一次闪光都在告诉我，到目前为止我什么都没有。感觉就像电影《黑衣人》 (1997) 中的神经化剂抹去了我的思绪。对于大多数作家来说，这是一场由来已久的战斗：如何开始一个好故事，如何写一篇文章来吸引和传播信息。我如何将大脑中的想法和想法写到页面上？这是一场将我想表达的东西转化为已发表的文字的战斗。

如果我有一个脑机接口 (BCI)，可以用无穷无尽的有价值数据智能地增强我的大脑，将意识的即时流从我的键盘激起到电脑屏幕上就好了。

好吧，你不是来了解我的写作问题的。我们在这里讨论 BCI。

什么是脑机接口？

BCI 应用程序正在迅速改变医疗设备行业，并将继续这样做，因为它们的好处。BCI 应用程序是指允许用户与计算机交互、测量用户大脑活动的设备。电活动最常通过脑电图 (EEG) 测量，识别大脑的能量和频率模式。人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 可提高评估和开发 BCI 应用程序的准确性和可靠性。在下文中，我们将研究这个领域以及测量脑电波和其他身体功能所需的信号链中的一些关键电子元件，以及人工智能如何将它们组合在一起。

脑机接口与脑电图

人脑产生振荡电子电压。这些电压的典型值是最小的，以百万分之一伏的数量级为单位测量。收集和分析这些脑电波电压的最常见方法是通过脑电图 (EEG)。脑电图是一种电生理监测方法，用于记录头皮上的电活动。它捕获与头骨正下方发生的脑电波直接相关的信号（图 1）。

 

通过 EEG 的 BCI 可以是单向的（单向）或双向的（双向）。双向允许信息双向流动，从而使大脑能够接受反馈和未来的调整。脑电图可以是侵入性的、半侵入性的或非侵入性的。侵入性脑电图涉及直接定位设备并将其连接到人脑中。半侵入性脑电图可以放置在大脑和颅骨之间。非侵入性通常是通过在头骨上放置一个带有各种电极的帽子来完成的。脑电图提供 @ 0.05 秒的时间分辨率和大约 10 毫米的空间分辨率。除了脑电图采用的电技术外，其他技术也可用于收集数据。这些技术可以采用磁性、代谢或其他形式。

脑电波根据其频率分为五个一般类别之一（表 1）。医学研究人员将它们分成若干条带，因为每个条带代表大脑在执行其功能时的不同运作方式。例如，记忆和回忆等关键活动尤其发生在 theta 波段，但并非完全如此。研究人员使用这些波段来分析如果信号太少、太大或最佳数量可能会发生什么。

表 1：脑波带的五个一般类别。每个频率范围都是标称值，不一定是绝对值。（来源：作者）

脑电图获取脑电波信号并将其数字化。然后对它们进行信号处理，提取特征，翻译算法进行分类。它们也可以打印出来或记录下来以供将来分析。信号输出可用于形成设备命令，以提供与电机控制、运动/运动和环境条件或刺激相关的指令。BCI 帮助残障人士更好地控制他们的外部环境。

BCI 和人类状况

由于人类生物学，我们的感官和智力有根本的局限性。可以想象，脑机接口和植入物可以增强或提供新的感官信息并增强生物能力。人机融合的首要考虑是理解机器和人如何实时交互和交换信息，因为他们在两个不同的领域中运行。仍有更多工作要做，以了解指导大脑的可单独寻址神经元的相互协调如何在其环境中发挥作用，同时保持与界面的数字可寻址域的协调。

脑机接口研究

BCI 也正在接受调查，以寻找帮助人类的领域，包括恢复或增强人类视力、残疾肢体的运动恢复，以及大脑绘图以帮助恢复和纠正各种神经损伤和疾病。大脑映射可以让人们更好地理解人类思想是如何转化为人类行为的。它可以导致增强的人类学习、新的或增强的人类感知以及新的嵌入式自主神经系统。让我们看一下 BCI 可以继续发展和引领的两个例子。

超人认知

亿万富翁埃隆马斯克正在积极调查 BCI 问题。他是 Neuralink Corp. 的创始人之一，这是一家开发植入式脑机接口的神经技术公司。Neuralink 正致力于构建更好的与大脑交流的工具。这些创始人相信，有了合适的团队，这项技术的应用是无限的。Neuralink 正在探索将允许神经活动的超细电子线嵌入大脑的可能性。

马斯克的既定目标之一是实现“超人认知”。发明家和未来学家 Ray Kurzweil 认为，人类智能的特点是具有非凡的模式识别能力。他将人类智能视为在生物模式识别机器的环境中运行的进化的、自组织的等级系统。基于他希望人类更熟练地理解更强大的人工智能的出现和传播的愿望，马斯克有动力实现超人的认知，人工智能在模式识别方面的卓越表现越来越出色。

新感官

在研究 BCI 如何增强人类感官时，可以考虑 Cyber Foundation 联合创始人尼尔·哈比森 (Neil Harbisson) 的案例。他被公认为世界上第一个电子人。Harbisson 天生就是色盲，他已经在他的头骨中永久性地安装了一个天线，这样他现在就可以真正地听到颜色，用他的听觉代替他的视觉限制。Harbisson 积极倡导人类将技术融入身体的未来。

传感器集线器

为了支持这些努力，传感器集线器正以各种方式用于收集 BCI 之外的其他生物识别信息。传感器中枢使用多个传感器和一个微控制器来收集和分析脑电波无法直接访问的大量人体参数。这些可以包括收集有关人体脉搏心率、脉搏血氧饱和度 (SpO 2 ) 和估计血压的信息。

确保高质量数据

由于大脑信号非常小，因此在其设计中优先考虑整个电子信号链，以最大限度地减少噪声、杂散或伪信号。患者可能会通过身体运动、出汗、眼球运动、心律等诱发这些来源。电气错误可能由 50Hz/60Hz 噪声、电极-皮肤接触问题和电缆移动引起。

成功的电子元件选择将集中于利用高精度、低噪声、高分辨率信号链产品。选择低噪声放大器 (LNA)、单位增益缓冲器和精密模数转换器 (ADC) 以防止将不需要的信号引入链中，同时提供准确可靠地解析数据的能力。差分放大器和带通滤波器也被用来确保只传输高质量的数据。需要适当的连接器和跳线才能将准确的信号传入和传出大脑。让我们看看 Molex 如何提供这些解决方案。

连接到大脑

Molex 0.25 毫米间距 Premo-Flex 跳线在紧凑型设计中为紧密封装应用提供可靠的连接（图 2）。这些跳线为几乎所有行业的印刷电路板 (PCB) 连接提供耐用、超灵活、经济高效的解决方案。这些 FFC/FPC 跳线具有标准长度、间距和电路尺寸，可满足两个 PCB 之间的各种灵活互连要求。Molex 0.25 毫米间距 Premo-Flex 跳线非常适合医疗应用，包括患者信号监测，包括身体状况、手术设备和远程医疗。

图 2：Molex 0.25 毫米间距 Premo-Flex 跳线在紧凑型设计中为紧密封装应用提供可靠的连接。（贸泽电子）

Molex 0.25 毫米间距 Easy-On FPC 连接器提供 50V 额定电压、50MΩ 绝缘电阻和 150VAC 介电耐压（图 3）。这些连接器为设计人员提供了一系列尺寸和样式以适应其他 PCB 组件。Molex 0.25 毫米间距 Easy-On FPC 连接器是下一代医疗设备的理想选择。

图 3：Molex 0.25 毫米间距 Easy-On FPC 连接器提供 50V 额定电压、50MΩ 绝缘电阻、150V交流介电耐压，是下一代医疗设备的理想选择。（贸泽电子）

人工智能与脑机接口

AI 及其子集，包括机器学习和深度学习 (DL)，正在支持基于脑电图的 BCI 中的方法（图 4）。DL 可以提供 EEG 信号的自动分类。这项工作允许将数据用于各种应用程序和其他卷积神经网络 (CNN) 训练。目前，人类专业知识支持人工智能方法。我们的愿望是消除伪影，提高数据质量，并继续实现 AI 技术的收益，以便测量的脑电波信号可以继续呈指数增长，从而被 AI 通过 DL 技术进行分类。

图 4：人工智能、机器学习和深度学习随时间的发展。（来源：elenabsl/Shutterstock.com）

结论

基于 EEG 的 BCI 依赖于高性能电子信号链。需要仔细考虑所有关键电子元件，包括紧凑设计中的可靠连接，才能准确测量 EEG 和其他身体功能。AI 和 DL 技术使动态 EEG 数据能够得到更好的解释，并让人类从 BCI 中获得更多好处。BCI 将继续成为人机交互的新兴方法。有一天，它可能会治愈我们遇到的任何精神障碍，尤其是任何作家最终都会面对的空白页面。

作者

Paul Golata 于 2011 年加入贸泽电子。作为高级技术内容专家，Golata 先生负责推动战略领导、战术执行以及先进技术相关产品的整体产品线和营销方向。他通过创建独特且有价值的技术内容，为设计工程师提供最新信息，促进和提升贸泽电子作为首选分销商的地位。在加入 Mouser Electronics 之前，他曾在 Hughes Aircraft Company、Melles Griot、Piper Jaffray、Balzers Optics、JDSU 和 Arrow Electronics 担任过各种制造、营销和销售相关职务。Paul 拥有伊利诺伊州芝加哥德锐理工学院的 BSEET；加州马里布佩珀代因大学工商管理硕士学位；在德克萨斯州沃思堡的西南浸信会神学院获得 MDiv 和 BL，以及博士学位。

审核编辑 黄宇