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Kevin

【腦機介面】現在最常見的非侵入式腦機介面—EEG

今天要來介紹大家可能很常聽到的EEG啦。在學術領域對其做的研究也比其他方法多,我覺得啦,沒有實際數據證明。

一方面可能是因為他的價格低廉,再來就是他很早就被發現了吧。因為知道神經就是用電訊號傳訊息之後,最直觀的就是拿金屬去測量電訊號啦。

EEG的全名是(Electroencephalography),中文名稱叫做腦電圖。

大家可能都聽過,但好像對他也不是很了解,所以我們今天就來看看他到底在做什麼吧。

EEG的運作原理

神經會利用電傳訊號,這些生物電是由於神經細胞內外的離子差導致的。詳細情形可以去複習一下國高中生物課本或是網路資源吧。

EEG就是將一些金屬探頭放在頭上的各個部位,用以來監測腦裡面的電訊號,這樣就知道腦的哪方面活躍,是的就是如此簡單。

你可能會問,金屬又不是直接接觸到神經,要怎麼測量出EEG的訊號啊?

這就要提到馬克士威方程組,他描述了電場、磁場等的關係,我們藉此知道只要電是直直地朝著金屬探頭去的話,就會有電訊號在探頭內產生

那這是不是就意味著,如果電訊號不是直直朝著外面去(下圖黃色箭頭),而是在垂直90度的方向(下圖藍色箭頭)的話,在他上方的電極是不是就偵測不到呢?



是的沒錯,這就是EEG的一個很大的限制,藍色方向的訊號對於正上方的電極會變得很微弱,但又不是完全沒有,他會混雜在訊號裡,導致記錄到的訊號雜亂。

作法

就是在頭上的各個位置放上電極,用以來偵測電訊號,現在有類似帽子一樣的,就是戴上去所有電極都會大概到指定位置,再進行微調就好。當然實際在做實驗的時候會做更精準的測量。

大概像是這樣



電極的數量就照著你想要的精準度去做調整囉!

其中又有分濕的電極跟乾的電極,濕的電極會在頭皮跟電極中間加入一些膠體,就可以讓他導電性更佳,訊號更敏感準確。

當然也可以針對要偵測的訊號,只把電極放在指定位置,之後我們說到一些市場上的商品的時候會再慢慢講解,總之你也可以從電極放在哪裡來看他是利用什麼訊號,可能是視覺啊、聽覺啊、想像運動啊之類的。

電極都接好了之後,就是讓使用者作出相對的回應啦,那當然就是看你要用什麼像的訊號來做腦機介面囉。

關於各種不同的訊號,我們也是之後再慢慢說吧。

EEG的優點

價格便宜

跟那些需要巨大儀器的系統來說,這是一個相當便宜的腦偵測方式。

所需空間小

雖然不像之前的fNIRS一樣可以戴著走來走去,但也不像fMRI一樣有一個超巨大的機器,基本上只要有一個電波干擾少的座位,就可以使用EEG了

即時性很高

因為所使用的是電訊號,基本上腦裡有,儀器上就可以馬上顯示,不像fNIRS要等血液流到該部位之類的。

訊號解析很直觀

其實不要小看這項優點,因為我前面也說過,腦訊號處理才是腦機介面的本體,EEG的訊號可以直接解讀成神經的訊號,所以在假設神經訊號就但表一切的話,記錄到的EEG訊號就可以代表腦在想什麼。

EEG的缺點

我怎麼每次想到的缺點都好像比優點還多,而且點點致命,好像隨便一個都能讓這個科技無法實行,但這就是人生吧,嫌棄比做得好還容易哈哈哈

訊號解析度不好

前面說了,可以藉著增加電極來增加解析度,但也只能到一個特定的水平而已,因為EEG本身的訊號就要經過腦脊髓液、頭蓋骨、頭皮之後才會到達電極,意思就是本身的訊號就不是特別清晰,再加上這些身體組織都還有過濾訊號的功能,所以出來的訊號可能有特定的頻率是蠻辦法還原的。但其實這項缺點對他來說不是很公平啦,就像是說叫你從牆外聽到牆內的人說的話,然後聽不清說你耳朵有問題一樣。

訊號干擾很大

不只腦神經,肌肉神經的訊號也是用電傳遞的,而且那電位甚至更強,所以很容易受到肌肉訊號干擾,基本上你眨眼睛,頭上的電極們就會偵測到一個超大的訊號,本所有的腦內神經訊號都蓋掉,所以使用者不是很建議大幅度移動。

裝上的時間很長

乾電極的訊號其實不好,可能只有特定的訊號可以被讀到,所以一般要使用的話都會用濕電極,但濕電極會有大概20~50個電極不等。每一個都要清理然後加入膠體,大概需要花個半小時到一小時才能完成吧

偵測到的訊號很淺

所有非侵入式的都有這個問題吧,因為就連最表層的訊號都已經很難偵測了,再深入基本上就更難了。

要大量神經都激發才能被偵測

這其實也可以被列在解析度不好啦,因為沒辦法做到單一神經的解析度,所以必須要是一大群神經一起激發才有機會被電擊記錄到,一些小範圍的神經激發可能很有用但會被忽略。

EEG的親身體驗

其他腦機介面我都沒有這部分,唯獨EEG我很幸運的參加過一次實驗。我就稍微分享一下過程好了

首先當然是入座、寒暄聊天,然後他就會拿出一份合約書,就是還是有些隱私、心理、生理上的考量就對了。

他們會拿出適合你頭大小的EEG帽子幫你戴上,測量是不是都有到指定位置,放的位置有幾種,其中一種我就提供圖片,其他我之後再介紹,這個叫做10-20位置吧好像



重點來了,不是放上去就結束了,他們會拿出類似筷子的木棒,然後在各個位置戳進去旋轉你的頭皮,這樣做的目的就是把你的頭髮跟一些表皮推開,這樣更能精準的測量到電訊號。

其實不會很痛,有點像頭皮按摩,但還是有對頭皮造成一定程度的破壞啦,為什麼知道呢,因為下個步驟就是灌入膠體,那個膠體是導電的,所以裡面有鹽分,當膠體注入的時候,就有點像傷口碰到鹽水那樣,嗚嘶。

我前面有放一個螢幕,上面會顯示各個電極的導電度,或是電阻?總之就是在看電極有沒有連接好啦。

都接好以後大概就花了半個小時多吧,反正我就坐著沒事聊聊天,幸好我只是受試者,不然真的很麻煩。

都接好以後,就被叮囑說眼睛不要太常眨,因為會影響訊號,腳不能伸直,要不然你的全身就會變成一根天線,其他電訊號也會被偵測到,沒錯就是這麼敏感

測驗的詳細我就不透露,反正就是叫你專心看一個東西之類的,平常不說還好,等到一說你就開始想什麼是專心,我要怎麼專心等一些哲學問題。然後螢幕上就會有小球移動,如果你專心他就會過來。

老實說,我根本不覺得我在控制那個小球,但其實有,我相信他,聽說要多幾次才會真的感覺到在控制。

最後結束的時候真的覺得全身解脫,因為剛剛都不太能移動,實驗總共進行了45分鐘到一小時左右。

前前後後包含裝上去、做實驗、洗頭,總共花了兩個半小時。

我的觀點

現在一講到非侵入式的腦機介面,很多人都會第一個想到EEG吧,是的他是有他方便的地方,但就跟上面說的一樣,因為他會被很多其他身體訊號干擾,又太敏感,感覺不太適合一般人走在路上使用。如果在辦公的話可能坐著使用的可能性比較高,但裝上去以後不太能動,而且裝上去要花的時間很長,準確度又不高,好像目前也想不到實質的應用,但如果是輔助肢體障礙坐在輪椅上的朋友,或許會很有幫助。當然我最近有看到一個很有趣的產品,是可以在生活中用的,我之後再做介紹。總之我其實對EEG並沒有太看好,雖然大家都把他講的很神,但其實實際體驗過後就覺得這個科技離我們理想的樣子似乎還是有很長很長的距離。


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