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脑机接口技术在医疗领域的应用

时间：2023-01-27 14:46 所属分类：医学论文 点击次数：

　　摘要：脑机接口技术可以有效地帮助严重残疾的病人使用神经元信号来与外部产生交互。本文主要是介绍了目前世界上脑机接口技术的本质和工作原理，其次是脑机接口在医疗方面的应用与发展趋势，最后是脑机接口技术中普遍存在的一些问题。

　　关键词：脑机接口;医疗领域;应用前景

　　脑机接口(Brain-Computer Interface)技术，是一种直接将大脑和计算机连接在一起的装置[1]。该装置通过获取人类大脑中的神经活动信息和人造数字设备中的信息，来实现彼此自由的转换。直观地说，脑机接口可以让我们摆脱语言，肢体动作等任何外在的东西，直接使用自己的意念(即脑神经信号)去使用各种电子设备。脑机接口技术作为从70年代开始发展起来的一门新兴技术，越来越普遍地造福于肢体瘫痪等的患者，并且应用于娱乐、教育、日常生活等领域。它使脑和神经的信号检测技术转向消费市场，有着十分光明的前景[2]。

　　1 脑机接口技术的本质和工作原理

　　脑机接口技术的本质，是通过某些手段感受并检测大脑中的电信号，并将其进行翻译，从而对外部设备进行控制;或者感受外部环境，从而转换成脉冲信号并传输回大脑，干涉电信号，让其获得相应的感官体验。

　　脑机接口主要分为侵入式和非侵入式。非侵入式的脑机接口是直接采集人类头皮的脑电。但是由于人体的头皮与神经元之间所隔的距离相当遥远，因此这样所采集到的脑神经信号精准度非常低，区别程度也不足。而一种侵入式的脑机接口，就是直接与人类大脑的各个神经元发生交互。侵入式计算机接口最主要的优点之一就是其干扰范围小，能够精确地对该区域内部进行一定的刺激。但是该方式对于植入设备的排异性，大脑的损伤都存在不可逆的巨大风险。

　　2 脑机接口技术在医疗领域的应用

　　脑机接口具有强大的发展前景，它具备在医疗领域发展的潜力。对于那些遭受了重大事故，或者先天性缺陷的患者，脑机接口技术能够让他们通过意念来控制外部设施，增强与外界的交互能力。随着现代信息科技的进步，脑机接口可以帮助人们修复脑神经，在医疗方面有着无限的前景。

　　1)2020年埃隆·马斯克(Elon Musk)创立的未来派脑机接口公司Neuralink实验有了新的进展。他们将一只猕猴取名为帕格并在帕格的大脑里安装了Neuralink芯片。马斯克只需将Neuralink与iPhone配对即可实现交互，就像把手机和蓝牙音箱配对一样。这个设备记录了2000多个电极的信号，这些信号来自帕格控制手和胳膊的大脑运动皮层。这个区域的神经元，可以通过发送信号来协调手部运动。例如，有些神经元在举起手时可能会变得活跃，而有些神经元在把手向右移动时会变得活跃。通过把这些信号输入到解码程序，马斯克就能实时预测它的手部动作。马斯克的目标是帮助残障人士，通过生物芯片的植入让患者使用脑神经信号与外界进行交流并操控电子设备，从而达到人脑与外界设备进行通讯。

　　2)2020年8月12日，淘宝造物节发布宣传视频，推出了一项脑机接口的新科技：意念购。顾名思义，就是通过人大脑的意念控制来实现人机交互，从而解放双手直接下单购物。全球多所名校科学家潜心研究脑机接口技术，并联手淘宝共同研发“意念淘宝”芯片;未来消费者在淘宝上购物，只要想一想就能完成意念购物，一场颠覆式的购物体验。淘宝意念购的目标是打造成虚拟生活+现实生活的操作系统，不只是购物。根据芯片附带的专利说明书，淘宝所创造的未来网购是这个样子：首先系统会通过脑机信号的提取接口得到我们的第一视觉图像，然后从这个图像里面识别出来我们想要购买的那个物品。把这个物品的图像提取出来之后，再把它放进服务器里面检索，然后再通过脑机接口给我们反馈具体的商品信息。根据识别到的意识信息，芯片会按照我们的意图向服务器发送下单或者取消的指令，而这只是最基础的环节。通过脑机接口，芯片还可以结合我们看到的现实对商品进行高度的模拟，一个虚幻的世界就此产生。在挑选商品的过程中，我们还可以随时把其中的信息发送给另外一个用户的脑机接口，然后得到反馈。虽然这种描述看起来很繁琐，但是这个过程不需要任何外在的动作。这些复杂的环节都可以在我们的脑海里瞬间完成。

　　随着科技的发展，脑机交互设备的体型越变越小。交互设备未来的发展方向很大程度上是使用生物材料，比如神经细胞作为外壳包裹住芯片，或者把芯片放入培养皿，用生物的方式从中培养一块设备出来。这种微型化的脑机交互设备让使用者彻底摆脱了场地和活动的限制。

　　3 脑机接口技术面临的主要问题

　　随着神经科学对人脑信息编码和加工机制的深入揭示以及脑机接口技术的日益革新，脑机接口的范围和精度得到了快速扩大和提升，应用场景也越来越广泛。但是这项技术也面临着一些问题：

　　1)技术问题。目前人类对于脑神经的研究速度是小于脑机接口的研究速度的，按照目前的发展技术，无论是侵入式和非侵入式，都很难进行大规模的应用。作为一个交互过程，脑机接口在读懂脑信号的基础上还要进行干预和治疗，在这之中涉及到的神经解码和编码机制等问题一直处于初级阶段，还需要突破。

　　2)商业化问题。即使脑机接口技术对于医疗起到了相当大的作用，但其造价仍十分昂贵，如何实现平民化和大众化仍是一个巨大的挑战，并且有很大风险。如侵入式的脑机接口就是在大脑皮层植入电极，危险性和植入难度较大，对人体可能会造成意想不到的伤害等原因而导致无法扩大市场。

　　3)伦理问题。归根结底，侵入式脑机接口仍是十分不人道的行为，如何说服人们接受脑机接口也是一个不小的挑战。其主要伦理问题包括风险，风险受益比，知情同意，隐私保护，自主性及其责任、社会公平和公正[3]。

　　4)人才储备问题。脑机接口技术在科学界仍然属于前沿科技，这样必然需要大量的科学人才，而如何解决科学人才的需求也是脑机接口在我国发展所面临的巨大挑战。

　　4 结论

　　本文简要介绍了脑机接口的基本特性，脑机接口在医学和工程领域的应用前景，脑机接口的实现方式，脑机交互设备材料的发展趋势，脑机芯片的实例和脑机接口所面临的问题[4]。目前对于人脑的开发人类尚处初级阶段，脑机接口也有很大的发展空间。随着现代社会以及科学和信息技术的发展和进步，未来脑机接口在医疗领域拥有巨大的发展潜能。

　　参考文献

　　[1]杨俊宇. 基于SSVEP的脑机接口系统研究与设计[D].南京邮电大学，2015.

　　[2]顾凡及. 脑机接口技术[J]. 科学，2016，68(006)：40-44.

　　[3]周吉银，刘丹.医学领域应用脑机接口技术的伦理困境[J].中国医学伦理学，2019，32(10)：1261-1266+1276.

　　[4]杨红宇，徐鹏，陈彦. 异步脑机接口技术现状及发展趋势[J].中国生物医学工程学报，2011，30(05)：774-780.