HMI進階：腦機介面的發展趨勢與應用

國立陽明大學專任教授郭博昭

電腦人機介面從早期透過鍵盤滑鼠，到近年來流行的觸控、手勢、體感偵測等新技術，且有實際產品在市場上銷售。接下來，人機介面的再進階，有人說是腦波控制，這是個什麼樣的技術，就讓這方面的專家，來說明他們在腦波的研究與應用的發展…

腦波的發現

論壇最後邀請到國立陽明大學專任教授郭博昭，來講解“人機介面再進階：腦機介面的發展趨勢與應用”。他表示有關腦波的研究，科學、醫學界早在100年以前就在進行實驗。

郭博昭說，19世紀末，腦波的始祖－柏格(Hans Berger)，觀察到電鰻身上發出電波，讓他猜測人類身上也會有相同的現象。於是他開發了世界第一台腦波儀，並成功記錄人類的頭蓋骨上的腦波活動，1929年將成果對外發表，可說是人類史上第一次發表的腦波記錄，命名為「腦電波圖」(EEG，簡稱腦電圖)。

人類的大腦裡，有許多神經細胞日復一日不斷活動；細胞活動會發出電磁波，若用科學儀器偵測腦的電位活動，在螢幕上看起來就像海浪波動一樣，故稱之為「腦波」。

醫學界開啟腦波測量的大門

柏格當初的目標是想透過腦波，來做精神醫學的診斷，以治療失眠、精神分裂、憂鬱症等患者。由於腦波和人類的意識活動有關係，吸引各界研究者的加入，開啟了腦波研究的大門，使得腦波醫學領域的應用也隨之而生。

由於當時(1929年)還是類比技術，研究者必須用很大台的機器，透過在人腦測量出腦波，再透過放大濾波，然後經由人工判讀，以獲得人類清醒時、作夢時、淺睡時、深睡時的各種腦電圖，進而做為疾病的診斷參考。

傳統類比的年代，機器都是東拼西湊，且又大又笨重，其採用真空管放大技術，量測時難免會有雜訊，造成量測時的誤差。而量測時間動輒幾小時，機器會列印出厚達十幾本書高的測量報表，接著腦波測量員要從這堆厚厚的報表中，找出病人的異狀，可說是非常曠日廢時的事情。

類比腦波測量技術，經過了幾十年的不斷改進，直到了1980年代進入數位時代之後，機器可以在人腦測量出腦波、放大濾波後，就直接進行類比數位轉換，然後交給電腦來判讀，以進行疾病診斷。機器簡單化了，也能省去人工判讀的所耗費的精力與時間。甚至近年來，廠商開發出可以隨身攜帶的腦波儀，以供外診醫生使用。目前數位腦波儀的等級與種類繁多，價位從幾十萬到百萬都有。台灣許多大型醫院紛紛引進數位腦波儀，透過腦波的精準測量，以做為治療精神疾病的參考依據。

在診斷費用部分，傳統類比的儀器，可能要耗費到2萬美元加上2小時(報表分析)，在類比的機器上，可能只要2千美元加上0.2小時，就可以獲得數位報表與判讀結果，又快又省錢。

腦波測量的種類與功效

20世紀初由於技術瓶頸，測量腦波採「侵入式」方法，將訊號接收器直接植入大腦的灰質，以便獲取較強的神經電流信號。不過這樣會傷害到身體，甚至引發免疫效應，且測量時也會因為接收器在人體內受到干擾，使信號強度衰減甚至消失，所以此法越來越少人使用，目前此方法僅用在動物實驗上。

後來改成「非侵入式」方式，經由電波感測貼片，貼在頭皮上。讓感測貼片能夠記錄頭殼上、並透過電波放大器所獲得某兩點電位差隨時間的變化圖，通常以微伏(uVolt，百萬分之一伏特)為單位，利用此方式來測出EEG(腦電圖)。

腦波測量跳脫醫界 進入腦波控制的領域

以前腦波儀的改良是以更精確為改進空間，後來為了讓腦波測量更方便，廠商後續的改良都朝向更輕巧、更簡化的方式來進行，例如不需要再接一堆密密麻麻的線。甚至有科技界與醫學界合作，研究如何透過腦波來控制，讓一些身障病患(如癱瘓、脊損、漸凍人等無法發出聲音的病人)，透過用“心想事成”的方式，達到控制電腦、玩具，或與其他人溝通的目的。

於是，1990年代開始，腦波量測從醫界走向科技界，開始進入「腦波控制」 的時代，廠商開發出有線腦波控制的產品，在市場上發表。郭博昭也鼓勵科技業者們，可以進入此領域，開發腦波控制的相關產品，因為這個領域尚在開發階段，值得更多有心的廠商加入。

不過他也表示，一般3C的產品，通常是以年或月為開發的單位，但醫界的產品則是以十年為單位。因為醫學界的產品要做可以，但為了要求精準，達到不會誤診的目的，通常要經過不斷的臨床實驗、改進，抽樣實驗，再改進，要做到能夠讓醫學界和一般大眾信服且能接受使用的階段，通常就是這麼久。

腦機介面的原理與產品

由於人腦外面有腦蓋骨，在測量腦波時僅會得到微弱的訊號，雖然侵入式的方式，直接將測量儀器的接線接到大腦上面，可量到最清晰的腦波。但一般情況下是不可能做到的。一般人會想，玩個腦波控制，還要讓身體受傷，寧可不要。

因此，廠商改在非侵入式的產品下功夫，做到精準的腦波測量，進而達到控制的目的。如g.tec公司的intendiX產品，就是給使用者戴上腦波感測帽，並以連線的方式連接到腦波儀主機。而電腦軟體從腦波儀獲得的電腦判讀之腦電波資訊後，就可以達到控制的目的。

郭博昭表示，這類產品因為帽子要戴很緊，且要用螺絲栓住，戴久了頭會很痛，玩起遊戲不見得比較快樂。而近年來也有其他廠商把此產品簡化，做到安裝簡單、方便攜帶，且無痛使用，玩起遊戲能夠比較快樂些。如神念科技(NeuroSky)的產品。

從有線到無線 從無線到雲端 腦波分析微晶片化 控制再進步

到了2000年以後，腦波控制產品走向無線設計，偵測器取得腦波訊號、放大、數位轉換之後，即可透過無線傳輸介面傳到電腦來判讀，進而達到控制目的。廠商紛紛開發出系統單晶片(SoC)，將感測器微縮化，裡面只需要一個MCU、快閃記憶體、必要的電容、電阻、振盪器等元件，就可做出超小型、低耗電的腦波記錄器，以無線的方式連接電腦使用，並記錄腦波變化的數位資料。

接下來郭博昭展示其實驗室開發的產品，如KY-1是一種體積超迷你、超低耗電、可記錄一天以上的睡眠腦波紀錄器，類似汽車防盜器的大小，適合設計給門診病患使用，此外亦可設計成無線BCI(腦機介面)的產品。而其KY-3做到更微縮到僅硬幣的大小、可貼在身體頭皮上、身上的生理發報器。

2000年以後的無線化之後，帶動「腦波分析晶片」的發展，用微控制器直接做成腦波分析晶片，省卻電腦判讀這一步。而2010年起更進入了雲端時代，腦波分析晶片可以直接透過無線傳輸將腦波資料傳至網際網路(或雲端)，然後透過iPhone / iPad就可以來看腦電圖，亦適合應用於穿戴式醫療電子產品上。

郭博昭最後舉例其KY12，就是一款雲端腦波儀，可遠距為病患記錄腦波，並將腦波資料即時回傳至雲端。因此腦波分析與腦波控制的應用前景無量，值得大家來投入。