[腦機介面筆記]腦機介面簡介
北科大 劉益宏教授 — 腦機介面上課筆記+網路資料搜尋
續上一篇[腦機介面筆記]大腦神經科學概觀今天筆記的是腦機介面的簡介
這篇文章會用到的英文簡稱們
BCI （BMI）： 腦機介面 (Brain computer interface/ Brain machine interface)
EEG：腦電圖 (Electroencephalography)
EOG：眼電圖 (Electroculography)
EMG：肌電圖 (Electromyography)
f-MRI : 功能性磁振造影 (Functional Magnetic Resonance Imaging)
ALS : 漸凍症 / 肌萎縮性側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis)
腦部活動
在實際理解腦機介面以前，首先我們必須先回去理解我們的大腦是如何運作的，如果你還完全沒有概念的話，建議可以回去看我上一篇筆記(傳送門)，相信可以有更深入的理解（？
我們的大腦是由上百億個神經元、百兆個神經相互連接而形成的網路系統。神經元之間彼此透過電訊號以及神經傳導物質溝通，因此我們的腦部活動其實可以看作是一堆的電訊號以及化學反應的組合。
腦部活動探測方式：
腦機介面，顧名思義就是指提供大腦與機器溝通的介面，通常由下面三個元素所構成，而取得腦電訊號就是我們的首要任務。
取得腦電訊號 -> 特徵萃取 -> 轉譯成電腦指令
目前探測腦部活動的儀器有以下三種，其運作原理就是透過觀察大腦的
電訊號、以及化學反應(血氧變化率)來分析與歸納。
EEG 腦電圖（量測腦電訊號）
f-MRI功能性磁振造影（量測血氧變化率）
NIRS近紅外光譜技術（量測血氧變化率）
EEG簡介
1.什麼是EEG
EEG的全名是“Electroencephalography” 中文為「腦電圖」，透過精密的電子儀器將頭皮上量測到的電位變化紀錄成的圖表即為腦電圖，而EEG量測到的訊號俗稱“腦波”，一個成年男性的腦波其振幅通常介於1 ~ 100 (µv)之間
2.EEG的種類：
根據有無使用電極凝膠、電極與頭皮之間的阻抗可以將EEG分為兩種
濕式電極(Wet electrodes):藉由電極凝膠讓頭皮跟電極之間的阻抗小於10kΩ
乾式電極(dry electrodes):沒有使用電極凝膠，通常阻抗>100kΩ
腦波量測
1.取得腦電訊號
還記得我們前面有介紹過獲取腦部活動的三個儀器嗎？其中最被廣泛使用的莫過於EEG了，因為其具有“高時間解析度”、“高易用性”、以及價格相對便宜“這三大優點，因此這篇筆記會將重點放在EEG上。
補充：EEG除了上述的三個優點外，我們在使用EEG時也必須考慮EEG的缺點：
1. 低空間解析度
2. 低訊雜比(訊號 ：雜訊 的比率)
3. 極度容易被EOG、EMG污染
為了得到有用且精準的點，科學家根據大腦區域依照大腦功能將EEG需要量測的點分為以下（右邊為其代號所代表的意義），而我們實際量測EEG時就會根據這些頭頂上這些點放上電極來量取每個對應的點的電位變化。
這邊有個需要特別注意的地方，雖然我們將量測分位這麼多點，但這並不表示我們量測到的電訊號就是該點純粹的電位變化，而是周遭區域加該點的訊號。
A1/A2代表參考電極
中線的左邊都是奇數
中線的右邊都是偶數
FP (Prefrontal area)
F (Frontal area)
C (Central)
P (Parietal area)頂葉區
O (Occipital area)枕葉區
2. 腦波特萃取
使用EEG得到腦波以後，接下來就是要對腦波進行分析， 一般來說常見的腦波有以下幾種比較明顯的特徵
頻域特徵
當我們處在特殊的狀態時，我們腦波頻帶會反應當時大腦的狀態。舉例來說：一個人進入深層睡眠時其大腦小於4Hz的腦波成分會特別顯著（如下圖所示，theta波相較於beta波會比較稀疏）
δ (Delta)
- < 4 Hz (Frontal lobe)
- 深度睡眠狀態，或為腦部疾病所苦
θ (Theta)
- 4 ~ 8 Hz
- 做夢或者冥想時
α (Alpha)
- < 8 ~ 12 （or 8~13）Hz (Parietal — Occipital)
- 放鬆、閉眼時
µ (Mu)
- < 8 ~ 12 Hz
- 受測者自願做運動想像 (Motor Imaginary)時
β (Beta)
- < 12 ~ 30 Hz
- 思考、計算、推理等等更高層次的認知活動
P300 ：
此為誘發電位，當看到或聽到腦中想像的東西時300毫秒後誘發SCPs
(Slow cortical potential 慢速皮質電位)，更詳細的說明請參考我另外一篇文章
Btw即便量出來的腦波是上面其中一種，我們的腦波實際上不會只有這個range的頻率，而是由各種不同的頻率的腦波所組成，並且該頻率的比重比較大（Ex:量出來是alpha波，只能說明8~12Hz頻率的腦波比重最大)
運動想像 (Motor Imaginary) : 參考資料 — 傳送門
什麼是運動想像？
當我們想像右手握拳時，左側腦的運動皮質區會產生一個8~12Hz的電訊號(µ波)，我們可以透過分析此訊號來讓受試者的大腦與外部裝置產生互動，也就是說可以讓原本行動不便的患者透過腦波來控制外部輔具。
從腦電訊號來看受試者的腦波會出現事件誘發電位(P300)，因此我們就可以從中判斷當時受測者是否處於運動想像的狀態。
補充：事件相關非同步化(ERD, Event Related De-synchronize)
腦波因事件刺激而電位下降事件相關同步化(ERS, Event Related De-synchronize)：維基傳送門
腦波因事件刺激而電位上升
心得：
這篇筆記的編成主要是根據老師上課筆記跟網路上的資料撰寫的，因為老師上課時非常生動有趣(跟要交作業)所以就想說能不能用自己的方式，把一些比較生澀難懂的專有名詞用比較白話文好理解的筆觸重現一次。一來如果有人也想要入腦機介面坑可以節省很多爬文的時間，二來我對自己的記憶力非常沒有信心所以如果可以製作一篇快速入門跟複習的文章或許可以喚起我爛掉的記憶_(:3 」∠ )_
隨著整理筆記的過程中間查閱了超多的文章跟論文，上課時以為自己聽懂的內容要再清楚描繪一次其實不是一件很容易的事，但也順便認識到了腦機介面這個領域真的很深，感覺自己還需要下很多功夫。
順便推廣一下老師的Lab
