淺談腦機介面(Brain Computer Interface)
電子工程學系 陳思文助理教授
隨著現代科技的不斷進步，藉由先進的生理量測技術，人類已經可以有效且無須侵入體內便能輕易擷取到如血壓、心電、肌電或腦電活動等醫學訊號，針對這些訊號進一步加以分析處理，使我們得以一窺體內的生理運作程序。而此一事實也很自然地導引人們開始思考一個問題，即「這些生理訊息是否可以用來做為人類跟外界溝通的一種新媒介」？另一方面，隨著人類在腦神經科學方面知識的突破，以及腦波訊號擷取技術的漸趨成熟，腦機介面(Brain Computer Interface，
簡稱BCI)系統的設計與開發近幾年來在醫學工程界蔚為一股風潮，且有愈來愈受到重視之勢。其主要原因之一在於BCI提供了一種有別於傳統的人機溝通方式，使得長久以來所謂「以意念操控機器」的想法得以有條件地實現，同時也為上述問題提供了部份的答案。
簡單來說，BCI是一種利用腦波(Electroencephalogram，簡稱EEG)訊號來讓使用者與外界溝通的技術。此種技術若能開發成功，將可幫助因肌肉萎縮、中樞神經系統損傷或重度中風等而行動受到阻礙的病人，使他們能夠不需要依靠周邊神經和肌肉，而僅靠著使用腦部的訊號，便可以達到與外界溝通甚至自由行動等目的；同時，我們預期在不久的將來，BCI的技術亦可被廣泛地應用在工業控制、航管或者軍事上等用途。事實上，決定BCI系統是否能順利運作的關鍵主要取決於
以下兩點：(1) 由使用者意念所產生的EEG訊號變化是否能夠穩定且顯著到足以被系統測得；以及 (2) EEG訊號判讀分類機制是否具有容錯性好且效率高的特性，足以將所測得之EEG訊號特徵精準地轉譯成所要執行的機器指令。值得注意的是，由於BCI分類機制的確立通常必須透過適當的訓練程序來完成，故目前多採用類神經網路的技術來實現這個部份。
瞭解上述兩項原則之後，接下來要面對的問題便是使用者該採用何種EEG訊號來做為人機溝通的媒介？關於這點，目前學界尚未有明確共識，其中最主要有兩派意見。一派認為若欲使BCI系統平順運作，則被用來驅動BCI系統的EEG訊號必須透過一連串明確的「意識工作」(cognitive tasks)來產生，這些工作主要有要求受測者「默想四肢運動」、「心算」、「語彙構思」或「想像圖形操作」等。當受測者在進行這些意識工作的同時，工作人員同步錄下他們的EEG訊號，然後利用
數位訊號處理的時頻域分析技術分別擷取出在不同意識狀態下的腦波特徵，這當中最主要的研究內容不外乎在尋找出EEG訊號中關於α波、β波或者μ波的變化情形與某種特定意識狀態間之關係。利用這些特徵的排列組合，吾人可以定義出不同的機器指令，讓使用者能夠藉由一連串的意識工作來產生所需之腦波訊號，再透過BCI系統便可實現欲執行之指令，最終達成「以意識控制機器」的目的。然而，由於採此派做法的使用者往往需要投注較大的注意力來從事意識工作，故也常因精神疲勞(mental fatigue)而導致腦機溝通效果不如預期。
至於另一派意見則認為無須藉由特定的意識工作來訓練使用者產生EEG控制訊號，僅須讓其知道所要控制的內容是什麼，透過控制結果的回饋(feedback)讓使用者在學習過程中漸漸去體會如何修正並調整自己的「想法」，使得該機器指令的內容最終能順利達成。這種情況就好比騎腳踏車，通常騎車的人只知道自己在騎車，而他(她)的腦中在騎車的同時有可能正在從事其他的意識工作(例如想事情)，也可能正在休息的狀態(不想任何事情)，但不論何種情況，可以確定的是大腦依舊能夠同時且不間斷地自動產生控制訊號，用以協調四肢肌肉進行騎車的動作，很顯然地，這些腦波訊號並非(完全)源自於騎車者的意識。關於這方面，目前則有較為具體的成果展現，即前陣子國內外媒體大幅報導一項美國杜克大學（Duke University）的研究成果──猴子能學會在不做任何動作的情況下，直接使用大腦控制機械手臂，做出伸手以及抓取的動作便是一例。最初，猴子學著使用搖桿控制機械手臂的活動，以讓機械手臂往目標移動，此時工作人員同步紀錄下當時猴子腦部皮質的電流訊號。緊接著，將搖桿和機械手臂連接切斷，而利用先前所錄訊號中歸納出的特徵作為判定的標準，決定機械手臂的活動。起初，猴子發現自己對搖桿的操作無法有效地控制機械手臂的活動，經過一陣徒勞無功的努力之後，突然間，猴子就像開竅一般，認知到了不需作手部的動作，機械手臂就會隨著自己的想法而運用，進而捨棄使用搖桿；而隨著嘗試次數的增加，猴子對整個系統的控制也更顯平順。研究者更進一步讓這些控制訊號透過以太網路傳輸，成功地讓好幾百公里以外另一間實驗室的機械手臂也進行相同的運動。
在過去，對於因中風或其他因素而導致部分肢體無法自主運動之患者，為使其能恢復部份運動能力，臨床上常應用功能性電刺激來達到此一目的。但由於這類的輔助方式通常需要患者以正常側的動作做為控制源，所以只對偏癱的患者有效；至於全身癱瘓的患者，則此類輔助方法將無法發揮功效。神經受損的患者目前所能期待的新技術除了促進神經再生之外，或許另一個就是腦機介面系統的開發（或稱神經義肢）。而這個新興的研究領域及成果，讓因神經肌肉損傷的患者
享有更方便的生活的期待更向前邁進了一步；我們也相信，有朝一日，所謂的「心想事成」對你我而言將不再是遙不可及的夢想！