[腦機介面筆記]腦機介面輔助疾病應用及運動想像實驗
北科大 劉益宏教授 — 腦機介面上課筆記+網路資料搜尋
聲明：本篇筆記為 劉益宏 教授 之上課筆記，我不代表專業立場，所有內容僅供參考。
前幾篇文章們：
1. 大腦神經概觀
2. 腦機介面簡介
3. 大腦視覺與事件誘發電位P300
建議先回去看完前幾篇文章再回來看會有比較好的觀賞體驗喔（然後順便幫我按個讚XD
前言
「做研究沒有目的，那將會變得枯燥乏味」
這大概也是為什麼所有的論文前面都有研究目的吧！可能有不少人包括我在一聽到腦機介面連想到的都是諸如駭客任務(Matrix)、刀劍神域、攻殼機動隊等作品，而這些作品給人的第一印象不外乎就是更真實的沈浸體驗。
今天這篇筆記要分享的是腦機介面如何應用在醫療及復健領域也是現實中腦機介面最常應用的地方，除了未來也許有機會達到的沈浸體驗以外，腦機介面還可以幫助行動不便的患者諸如中風、漸凍症(ALS）等。
不曉得大家有沒有想像過，未來的世界如果可以光靠“想像”就可以打字、拍照、幫我們做任何的事不曉得該有多好？在腦機介面中，的確存在一個光靠想像就能讓你的大腦與外部機器溝通的方法，那就是「運動想像」
運動想像實驗
（參考資料：維基百科）
運動想像一直是提升運動表現的核心訓練之一，其運用範圍不僅僅是應用在腦機介面還有音樂、運動、醫療復健等，只要是透過動作練習來提昇表現的領域幾乎都可以使用此方法來進行訓練。
而在腦機介面中，我們透過讓測試者做運動想像可以達到意念控制外部機器，世界上有許多癱瘓或者行不便的人他們的運動功能已經衰退，即便身體完好無缺也無法恢復像以前一樣靈活自由的活動，這時候我們可以依靠運動想像來幫助他們復健，也可以設計出一個透過運動想像來輔助外部運動的腦機介面。
說了這麼多「運動想像」到底是什麼？顧名思義，運動想像就是指在腦中想像模擬自己執行運動時的狀態，運動想像必須在沒有伴隨身體運動的前提下，單純依靠想像力來模擬動作。
通常運動想像在腦機介面的實驗中有一個固定流程
提示運動想像->進行運動想像 -> 休息
在實驗中受測者前方會放置一個螢幕並附上一個耳機，並坐在一張有扶手的椅子上。每次實驗開始時前方的螢幕都會出現一個十字圖案(如下圖)來提示受測者放鬆，目的是為了讓其維持在一個專注且放鬆的狀態。
而我們的耳機每個階段都會伴隨著不同的任務發出不一樣的聲音（通常是低音與高音），每次運動想像開始前螢幕都會提示受測接下來要做運動想像的部位以及動作，然後才讓受測者進行運動想像。
那運動想像在腦機介面中有哪些應用呢？這次上課中（可能大家都忘了這是一篇上課筆記），老師分享了他們團隊過去所做的一系列研究，分別是中風患者的腦機介面、漸凍症患者之腦機介面，以下分別為大家做介紹。
腦電輔助疾病診斷及應用
中風病患之腦機介面
0. 中風介紹（參考資料 ：維基百科）
中風又稱作腦血管事件是指腦部缺血造成的腦細胞死亡導致腦功能異常。
根據發生中風的原因，中風分為兩種類型：
常見的中風症狀包括無法移動單側的肢體或者是一邊的身體出現無力、無法理解別人的話、不能說話、暈昡、其中一邊的視野看不到等等
- 實驗簡介：
現有的中風復建方式大部分是透過反覆運動實現的治療，這樣的方法雖然可行也非常有效，但是病人在復健的過程中會遭遇不小的困難。好在國外早已有科學家發現「運動想像」可以用在中風偏癱的復健治療，中風患者不需要進行實際的運動訓練也能慢慢的從運動想像的練習逐漸改善中風偏癱。
過去雖然有針對中風復健的腦機介面研究，但因為腳部的運動想像難以被探測到，所以多數都是針對手部運動想像的腦波分析，因此本次針對腳部做的運動想像就顯得格外珍貴。
💡補充：腳部的運動想像每當我們進行一次運動想像時，運動皮質區就會產生一個腦電訊號，針對不同部位的運動想像會對應到運動皮質區相應的部位，但根據右下圖示唯獨腳的部分是左右部位都非常接近的，而eeg帽的電極又沒有辦法探測到很深入的大腦，因此判讀腳部位的運動想像格外的困難。
本次實驗透過搜集三組受測者在進行「運動想像」時的腦電訊號來找出每個族群之間的差異，進而推斷出中風患者進行運動想像時的判斷依據。
2. 實驗設計與方法
設備與儀器
既然要設計一組給中風患者的腦機介面，那第一步當然是量取腦波。
由於腦波的訊號極低而且在量測過程中外部、內部的雜訊非常大，如果沒有經過任何處理的腦波不僅辨識率低而且還幾乎無法使用，因此常見的EEG一定會需要三個設備，分別是「腦波放大器」、「腦波擷取器」、「當下做接收處理的軟體」
只不過這套設備的價格不菲，這次實驗的腦波放大器一組要價60萬台幣、一頂電極帽5萬、軟體則需要30萬台幣，總造價約略95萬台幣，近百萬的造價顯然不是所有人都吃開XD
有了腦波的儀器與設備以後，接著當然就是量取腦波啦～
但量測腦波並不是只要找一位中風患者靜靜的坐在那邊，然後讓把儀器設備架設好就可以收取腦波，量測的方法與方式也非常重要(詳細請參考“大腦視覺與事件誘發電位P300”)。
實驗從三個問題開始
「中風患者的大腦與一般人有什麼差？」
「不同年紀之間量測的結果相同嗎？」
「中風患者的患側與健側得到的結果有差異嗎？」
💡補充：患側 vs. 健側常見的中風症狀有單側肢體無法移動或感覺無力，而患側就是指中風患者感覺無力的那一邊，健側就是相對應健康的那一側。
為了找出問題的答案，這次的實驗共有三組受測者（每組男女人數各半）
p.s. 這邊的健康指的是過去沒有任何神經疾病史 ＆ 沒有任何腦傷病變
中風受測者
年輕(健康)受測者
老年(健康)受測者
實驗流程如下：
實驗可以分為兩個階段，一個是放鬆階段另一個則是運動想像階段
放鬆階段 -> 運動想像階段 ->… …-> 放鬆階段->…
放鬆階段：
運動想像階段：
💡補充：怎麼確保病人有沒有做運動想像運動想像全部的過程都是發生在受試者的腦中，我們既無法打開受試者的腦袋也沒辦法心電感應病人是不是真的有在做運動想像，因此實驗在運動想像結束之後，都會給病人做一個自我評估表來驗證上一筆實驗資料是否真的有效。當然全部的實驗都是採信任制，如果病人說謊那研究員可能就要另尋他法或躺在地上哭(X
3.實驗結果
在實驗之後每一筆實驗數據我們都可以歸納出放鬆階段的腦波與運動想像的腦波，並將其繪製成腦能量分佈圖，來觀察每一組受測者在放鬆與運動想像不同腦區的電位活躍程度。
💡補充：腦能量分佈圖：
將前處理過後的腦波資料進行頻帶功率的計算，並將其繪製到相應位置上，💡補充：頻帶功率（Band Power）：為一種訊號的特徵萃取方式
（To be continued … …）
心得
每次寫筆記統整都有一種感覺，為什麼明明是老師上課講過的內容，自己要在寫一次就是這麼困難，上課聽了感覺好像懂的專有名詞，回家以後要在翻一堆文獻跟論文才能找到蛛絲馬跡。在歷經了連續好幾個禮拜的找資料中，我發現改變最大的就是看論文、英文的速度變快了，真是可喜可賀可喜可賀呢(*ﾟ∀ﾟ*)
