輔具進化讓癱瘓病患 動起來 - 工程師

【情報】輔具進化讓癱瘓病患 動起來

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2014年巴西世界盃足球開幕式，
一名癱瘓的男孩透過腦電波控制機械輔具進入球場並進行開球。
最近，更進一步傳出，部分完全癱瘓人員透過腦電波控制機械輔具的訓練，
在短短的一年內改善了下肢的感知能力和肌肉控制能力，
使得從原本完全癱瘓轉為部分癱瘓。

透過念力來移動或操縱物體的畫面，
常被認為僅出現於科幻小說情節中，
事實上，此項技術是存在於現實世界中，
但直到近幾年科學家才有重大的突破，
藉由(1)意念擷取、(2)萃取意念特徵、
(3)轉換機械指令這三個步驟進行意念操控，
使得使用者僅靠意念即可驅動物體，
藉由各種機械輔具可越過已受傷的脊椎直接控制身體的肌肉。
換句話說，藉由意念的幫助，
原已癱瘓的病人可藉由機器轉譯腦電波的信號並驅動各種輔具使其重返正常的生活。
而歐盟的BNCI Horizon
2020計畫所發布的報告指出，
未來腦機介面的可能應用情境將會以醫療為主，
例如：(1)取代(replace)因為傷害或是疾病所造成的身體功能喪失，
如：溝通和輪椅控制；(2)恢復(restore)身體的功能，
如：電刺激癱瘓病人的肌肉和神經，以恢復膀胱功能；
(3)改善(improve)身體功能，如：中風病人的復健；
(4)增加(enhance)心智功能，如：精神壓力偵測或注意力降低。
藉由偵測學生的腦活性(brain activity)，
監控其精神狀態，當學生處於疲勞或是挫折狀態，
調整其教學難易度，直到精神集中，
再給予較複雜的學習材料，達成個人化學習改善的目的；
(5)作為腦功能的研究工具(research tool)。

隨著腦機介面技術的逐漸發展與成熟，
為癱瘓的病人打開了一扇希望的窗。
目前致力於相關研究團隊非常多，
應用面相較廣，但在分類上大致可依照意念擷取的方式分為非侵入式腦波控制
的腦機介面 (EEG-based BCI)、侵入式的ECoG-based BCI兩種類型的腦機介面。
巴西世界盃開球的小男孩便是透過「再行走計畫(Walk again project)」
的專案幫助下，透過非侵入的方式從頭皮測量電子訊號。
電腦可以立即解碼這些訊號，利用「BRA-Santos Dumont」機械
外骨骼的液壓導線（hydraulic
conductors）來產生動作，使其能夠行走並進行開球。
此計畫由巴西知名神經學家尼可列里斯（Miguel Nicolelis）領導，
超過100名科學家參與這個跨國性的計畫，
包括杜克大學神經工程學中心（Duke University Center for Neuroengineering）、
慕尼黑工業大學（Technical University of
Munich）等機構。尼可列里斯團隊所執行的該項計畫，
向全球癱瘓人士提供了一個未來自由行動的機會，
再搭配虛擬實境(VR)技術對8名下半身癱瘓的患者進行1年多虛擬實境腦部訓練後發現，
原先完全失去腿部知覺的患者開始恢復了腿部的痛覺、壓迫以及震動。
雖然每位患者的效果不大相同，
但每個人對於腿部肌肉的動作與皮膚觸覺都呈現恢復狀態，
其中以一名32歲癱瘓13年的女性患者，進步最大。
在訓練早期，不能用支架站立，但經過逐步訓練之後，
能藉由拐杖、支架和治療師的幫助下重新走路。
13個月後，已能坐著及躺著時可以自行移動大腿。

相較於非侵入式的腦機介面所擷取之腦波訊較不穩定以及易受到雜訊干擾，
因此進一步發展出來的是侵入性ECoGs技術並藉以強化訊號的清晰度和強度。
2012年布朗大學(Brown University)和史丹福大學(Stanford University)
的BrainGate團隊通過向癱瘓病人腦內植入該系統實現意念控制機械臂進行移動；
匹茲堡大學醫學中心(University of Pittsburgh Medical Center)在四肢癱瘓的病人
腦內植入電極陣列，病人通過意念實現操作10自由度機械臂，可自行餵食。
以上兩例皆利用意念控制機械手臂進行各種操作，
但美國俄亥俄州立大學的神經外科醫生阿里·雷澤
(DR. ALI REZAI)則嘗試利用腦機介面，
控制病患移動自己的肢體以達到抓取水杯、
彈琴等動作，該研究將病患腦中植入小型晶片，
並藉此繞傷的脊髓直接由意念下達命令驅動已癱瘓的四肢，
藉以達到自主的運動，目前這項技術還在實驗階段，
科學家希望下一步能運用無線系統，讓病患重回正常的生活。

隨著科技的進步，
以念力驅動機械或是癱瘓的四肢之可能性越來越高，
對於全球許多因脊椎受傷而無法自主行動的人來說是一大福音。
我們相信，隨著技術的演進和成熟，
最終有一日他們能夠再度行走於地面並自主生活。

(作者是國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心助理研究員)
(本文刊登於經濟日報2017/01/01）

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