定制脑电图耳机如何改变家庭大脑康复
- 目前，四肢瘫痪患者的治疗需要与训练有素的专业人员预约，费用很高。
- 苏格兰格拉斯哥大学的一名博士在读生正在准备一种家用的脑机接口耳机。
- 脑电图耳机允许病人在家里就能治疗脊髓损伤、中风、癫痫等疾病。
已故科幻幻想家阿瑟·c·克拉克(Arthur C. Clarke)说:“任何足够先进的技术都与魔法无异。写了在1961年。观察肢体瘫痪患者用他们受影响的手抓住他们思想的力量进入了神奇的领域。然而，这是通过脑机接口(BCI)及功能性电刺激(菲斯)肌肉。
目前BCI/FES治疗涉及复杂的设备和预约
但问题是:“BCI/FES疗法涉及很多复杂的设备，需要一段时间才能安装好，”苏格兰格拉斯哥大学生物医学工程博士研究生尼娜·佩特里克-格雷(Nina Petric-Gray)说。“患者必须与训练有素的专业人士预约。”
但是，如果获得可靠的脑电图(EEG)信号可以更简单，这样病人(或受过最低限度训练的护理人员)就可以在家里处理它呢?这将使更多的中风或脊髓损伤患者能够以更低的成本进行肢体康复。佩特里克-格雷已经接受了这一挑战，设计了一款家用便携式BCI耳机。
Petric-Gray广泛研究脊髓损伤和中风康复。她的硕士学位是在产品设计工程，一个项目由联合管理格拉斯哥艺术学院的设计学院以及格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特学院格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院．她的首席博士导师是格拉斯哥大学康复工程高级讲师Aleksandra Vuckovic博士，她已经在bci领域工作了15年。
脑机接口耳机如何用于治疗运动丧失
Vuckovic博士说:“在英国，有5万例病例，有些完全瘫痪，有些部分丧失活动能力。”“英国每年大约有120万人中风。当他们出院时，约有三分之一的人不能正常活动或使用他们的手臂，他们可以在家进一步康复。”
脊髓损伤或中风的受害者经常会经历瘫痪——部分或完全丧失肢体功能——因为大脑无法再向手臂或腿部传递指令。至少十年来，康复专家已经能够通过神经电子设备(利用大脑信号刺激肌肉)重定向信号，恢复部分肢体的活动能力。一些患者甚至在经过数月或数年的技术治疗后，训练自己可以在没有辅助的情况下再次活动。有了脑机接口，一些人最终可能会恢复使用双手的能力。
BCI耳机记录大脑活动。“你可以测量大脑活动，在屏幕上以图形方式显示，并教人们如何自我调节大脑活动，”Vuckovic博士说。“当你想要移动时，你的大脑活动会产生类似于你实际移动时产生的变化。你想要移动你的手，计算机检测到你的意图并激活一个刺激器。刺激器向手部肌肉发送信号，你就会动起来。”
手功能不完全丧失的脊髓损伤患者是BCI/FES的主要候选者。Vuckovic博士说:“如果他们能恢复伸展、弯曲和伸展的能力——基本上是抓住东西的灵巧性，我们就很高兴了。”“我们可能会期望中风患者有更好的结果，因为通常他们对自己的手有更好的控制，加上他们的损伤是在大脑中，所以我们直接针对BCI。我们当然可以帮助人们变得更独立、更有功能。”
Vuckovic博士的实验室使用一种商用便携式耳机测试BCIEmotiv．彼得里克-格雷表示:“这款耳机是为游戏设计的。“它没有覆盖我们感兴趣的大脑关键区域。这款耳机并没有以一致的方式适合不同用户的头部。这对于记录良好的脑电图信号至关重要——电极与头部之间有良好的接触。”
最终，佩特里克-格雷决定利用欧特克的生成设计功能开发自己的耳机融合360年．格拉斯哥艺术学院产品设计工程负责人、彼得里克-格雷的博士合作导师克雷格·怀特特说:“最初的耳机是用传统的计算机辅助设计设计的。”“2018年底，概念开发工作转移到Fusion 360，通过应用生成设计进一步加强工作。”
使用生成式设计改进商业脑电图耳机设计
生成设计让设计工程师输入一组需求，软件根据这些需求创建多个迭代。设计师通常会删除可能会被最终用户出于美学或实际原因而拒绝的潜在设计。例如，有效的设计可能会被拒绝，如果它们看起来令人生畏或难以清洁和维护。
“我可以使用头部的3D扫描，将其导入生成设计软件，并使用它们来创建个性化的耳机设计，”彼得里克-格雷说。她使用各种塑料材料制作了大约15个不同的效果图。
“在最初的设计中，我大概猜到了电极应该放在哪里，”她说。“但我希望能够更准确地将电极映射到头部。这是使用生成式设计的主要原因。”
Vuckovic博士说，大多数商业化的标准化脑电图耳机只从前额记录，那里没有头发干扰电极与皮肤的接触。“如果你没有专家来确定你得到的信号是否良好——这是真的脑电图还是只是噪音——就会变得非常棘手。”
不幸的是，头皮上有效脑电图信号的最佳位置通常被毛发覆盖。这是可以做到的，但如果耳机适合每个患者的头部，就更容易获得良好的接触。
另一个障碍是脑电图电极通常需要导电凝胶来形成良好的接触点。现在有干电极可用于脑电图记录应用，例如跟踪痴呆症的进展或监测癫痫患者的微癫痫发作，这些都是可以适应的。这减少了设置时间，并消除了患者使用耳机后洗头的需要。如果病人每天都做手术，或者一天做几次，卫生问题就会很严重。
最初，佩特里克-格雷试图开发一款具有可调节带的通用耳机，但发现单一设计并不适用于所有人。她需要设计定制设备的能力，可以为个人快速、廉价地制造。
其目的本质上是使用增材制造工艺3 d打印技术，以尽量减少定制制造的成本。Petric-Gray还希望在为患者安装耳机时尽量减少活动部件的数量，这增加了制造的复杂性和成本。
到目前为止，佩特里克-格雷定制的耳机只在健康的测试对象身上试用过。该系统尚未经过正式的医疗器械测试;需要进一步的改进和资金支持才能将该设备投入实际的临床试验。
如果该团队能够向英国国家卫生服务机构(国民健康保险制度)和药品及保健产品监管局(beplay官网客服电话MHRA)，与医院康复相比，该设备在治疗和成本上都有优势，它可以被商业化用于康复，NHS可能会为此提供报销。
“我们正在开发另一个应用程序神经性疼痛，影响着8%的普通人，”Vuckovic博士说。“所以耳机真的不局限于运动康复。它可以用于任何类型的神经调节干预。你也可以用它来提高游戏的峰值性能。我们在这里使用它来测试健康的人如何仅通过他们的脑电波来玩多人游戏。”
脑电图耳机常见问题
什么是脑电图耳机?
EEG(脑电图)耳机是一种通过传感器测量大脑电活动的可穿戴设备。脑电图治疗可用于脊髓损伤和中风治疗、痴呆症跟踪、癫痫监测等。
脑电图耳机是如何工作的?
脑电图耳机的工作原理是通过神经电子设备将大脑信号重新定向，并将信号传递到四肢。这是通过与皮肤接触的湿电极和干电极来完成的。定制的耳机可以沿着头皮和其他困难的区域放置。
这篇文章已经更新。最初发表于2020年1月。