利用高带宽无线代替电缆应用于脑机接口信号传输

BrainGate临床试验的参与者使用无线发射器代替了电缆[通常用于传输来自大脑内部传感器的信号]。图片来源：Braingate.org

脑机接口(BCIs)是一项新兴的辅助技术，它能让瘫痪的人在电脑屏幕上打字，或者通过思考移动自己的身体来操纵机器人假肢。多年来，用于临床试验的研究性BCIs需要使用电缆将大脑中的传感阵列连接到计算机上，计算机解码信号并使用它们驱动外部设备。

在该项研究中，患有四肢瘫痪的临床试验参与者首次演示了将皮质内无线BCI与外部无线发射器结合使用。该系统能够以单神经元分辨率和全宽带保真度传输大脑信号，而无需将用户物理地束缚在解码系统上。

这项研究中使用的设备最初是由布朗大学工程学院教授Arto Nurmikko实验室开发的。它被称为布朗无线设备(BWD)，其设计目的是传输高保真信号，同时消耗最小的电力。在目前的研究中，两个设备一起使用，以每秒48兆的速度记录200个电极的神经信号，电池寿命超过36小时。

用于双阵列记录的有线和无线系统的组件。 如下图所示，神经信号获取的路径有所不同，但是两个系统的NSP以及所有下游文件记录，信号处理和解码硬件与软件都是相同的。

小型发送器最大尺寸约为2英寸，重量略超过1.5盎司。该装置安装在用户的头上，通过与有线系统相同的端口连接到大脑运动皮层的电极阵列。

BWD发射器(52mm x 44mm)

BWD应用于受试者

该项研究发表在《IEEETransactions on Biomedical Engineering》，两名瘫痪的临床试验参与者使用带有无线发射器的BrainGate系统在电脑上指向、点击和打字。研究表明，无线系统传输信号的保真度几乎与有线系统相同，参与者也达到了类似的点击精度和打字速度。

布朗大学工程(研究)助理教授John Simeral表示:“我们已经证明，这种无线系统在功能上与有线系统相当，有线系统多年来一直是BCI性能的黄金标准。”“信号以相近的保真度记录和传输，这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法。唯一的区别是，人们不再需要被绑在我们的设备上，这就为系统的使用带来了新的可能性。”

研究人员解释说，这项研究代表了BCI研究的一个非常重要的目标：一个完全植入式皮质内系统，有助于恢复失去行动能力的人的独立性。虽然以前已经报道过低带宽的无线设备，但该项研究开发的设备是第一个能够传输皮质内传感器记录的全频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究成为可能，而有线BCIs很难进行这些研究。

这项新研究展示了其中一些新的可能性。与传统的需要在实验室环境中进行BCI研究不同，2名试验参与者(都因脊髓损伤而瘫痪)能够在自己家里使用该系统。在不受电缆束缚的情况下，参与者可以连续使用BCI长达24小时，从而为研究人员提供了包括参与者睡觉时在内的长期数据。

研究人员检查了已记录信号的频谱内容，以了解神经活动和/或记录伪影的证据。在连续的5分钟内评估了整个24小时内记录的频谱内容(如下图)。在以10.6 Hz和19.5 Hz为中心的频段中观察到了显着的LFP活性。对应于观察到T10处于睡眠状态的时间段(大约凌晨3点至上午9点)，在晚上和清晨(例如，在〜20-40 Hz频段)，频谱功率发生了明显的变化。

通过无线系统(后置基座)连续记录超过24小时的T10神经数据的频谱内容。x轴表示记录时间。深色竖线表示未记录数据(例如，发射器被移走)或严重中断(高帧丢失)的时间。在右侧可以看到频谱功率的峰值为10.6 Hz和19.6 Hz。

布朗大学的研究人员表示：“我们想了解神经信号如何随时间演变。有了这个系统，我们能够在家长期观察大脑活动，这在以前几乎是不可能的。这将有助于我们设计解码算法，从而为瘫痪患者提供无缝、直观、可靠的通信和行动恢复。”

论文信息：

Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia

sciencedaily

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