脑电波也能“玩游戏”?这个“挑战杯”全国一

脑电波也能“玩游戏”?这个“挑战杯”全国一

时间:2020-01-09 13:17 作者:admin 点击:
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标题:脑电波也能“玩游戏”?这个“挑战杯”全国一等奖告诉你这都不是事儿

通过脑电波“玩游戏”的方式来 预防阿尔茨海默症 (老年痴呆症)?

当生命科学与技术学院刘铁军副教授的科研团队瞿倩、唐兴峰、刘鹏三位研究生提出他们的设想时,不少人都觉得是天方夜谭。

但是,经过一年半的坚持,这三位同学把这个设想变成了现实。他们设计制作的“ 基于脑机接口的老年痴呆预防系统 ”日前获得了第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛 一等奖(四川省唯一一等奖),成 为了赛场上一道夺目的亮色。现在,项目得到了上海荷福集团的投资,已经进入了临床试验阶段 ,预计明年就会有“脑机接口”项目的 相关产品推出。

用脑电“玩转”虚拟世界

如何通过“脑机接口”预防老年痴呆?奥秘就在采集脑电的头带上。虽然看上去只是一条不起眼的松紧带,却能将仅有几微伏的脑电信号采集起来,然后通过蓝牙传递到计算机上。这样,玩家就可以利用脑电信号 来控制计算机中的游戏人物灵活移动、躲避障碍,在虚拟世界中“跑酷”。

这个看似简单的脑电采集头带,却是队员们一年多以来智慧和汗水的结晶。为了让头带能够适应不同大小的头部,与电极保持良好的接触,队员们将头带设计成弹簧和松紧的样式,可以伸缩变化,适应不同的头颅尺寸。这个创新性的设计同时提高了系统舒适度和稳定性,保证脑电信号能够被准确稳定采集到计算机中。

当终端设备接收到稳定的脑电波并经过训练后,用户就可以进行在线游戏了。游戏界面上,在四个不同方向各有一个滚动的红色竖条。用户只需注视某个方向,大脑就会诱发产生相应的脑电信号。经过特征提取和模式识别分类算法,就能使其控制游戏人物向不同方向运动,从而训练玩家的反应力、注意力、空间想象力和记忆力,锻炼脑力, 从而提升大脑细胞兴奋性, 减缓脑功能退化,实现对老年痴呆症的预防作用。

“这并不只是单纯的玩游戏的过程,”团队负责人瞿倩介绍,“如果只是简单地进行游戏,系统无法得知用户的大脑是否得到了锻炼。而采集脑电信号的方式,实际上是一个具有生物反馈的过程,从游戏效果上可以得知用户当前是否全身心投入游戏。如果用户没有集中注意力,就无法控制游戏人物的运动,游戏就GAME OVER了。”

让我们通过一个视频来了解一下项目原理↓↓

于细微处“精雕细琢”

科研之路从来不是一帆风顺的,说起他们一路以来经历过的坎坷,瞿倩感慨万千。“最大的难点就是在电极的选择以及高性能的脑电信号采集电路设计上。”她介绍,采集脑电波的传统方法需要在前额与枕叶处打上电极膏。然而,这种方法需要严格保证被测区域的清洁。同时,由于湿电极接触稳定性差,必须反复调整,使得操作复杂程度提高,且需要专业人员协助,大大降低了系统的实用性。

于是,队员们通过大量的阅读、对比与筛选,最终确定了干电极作为脑电采集的核心材料,配套自主设计的高精度采集电路,可以和湿电极一样高质量地提取脑电信号。这样,脑电波的采集变得方便快捷,只需戴上头带、连接电脑,就能看到稳定显示的脑电信号。

“虽然你们看到的就是这么一个小小的头带,但背后的点点滴滴都是我们费尽心思做出来的。”瞿倩说,“包括一点一点把比米粒还小的电阻电容焊接到电路板上,自己在网络上找3D打印店做外壳,就连螺丝钉也是我们自己去五金店买来再一个个装上的。”

刘铁军副教授是团队的指导老师。在项目推进的过程中,他是作品指标严厉的“把关者”,又是队员们身后坚实的后盾。“印象比较深刻的就是他们做出来的东西我不满意的时候,我会很着急,也很严厉。” 刘铁军老师说,在产品设计的过程中,他要求队员们必须开拓创新,拿出自己的想法。“技术和科学的问题是可以讨论的,但最终产品的评价效果,必须通过我的检验。我说不行需要继续改进就得改进,不能得过且过。”凭着一丝不苟的工作态度,同学们精益求精推出的作品最终获得了稳定的实验效果。

成功源于200%的准备

经历了长达一年半的奋斗,作品终于尘埃落定。为打好答辩这最后一仗,团队成员集体赶赴上海。答辩当天,天降细雨,气温骤降,虽然只有负责讲解的瞿倩和负责演示的唐兴峰能进入主会场参加现场问辩,但在他们背后却是整个团队成员的共同努力。“我们俩需要熬夜准备,他不需要,但是他也会一起陪着我们熬夜。这样一路走来,我们建立了非常深厚的友谊。”瞿倩笑着看向身边的唐兴峰和刘鹏。“答辩的过程还算顺利。”瞿倩说,在两天的封闭展示期间,新奇的作品吸引了众多评委的目光,脑电采集清晰直观的显示效果和利用游戏预防老年痴呆的想法,令评委们赞不绝口。

然而,一句轻描淡写的“顺利”背后,是队员们对每个细节一丝不苟的准备。为了应对答辩过程中可能出现的一切意外,他们制作了五套备用的成品。“我们全程都是小心翼翼的。所有可能用到的东西都准备了,电烙铁也带去了,以应对突发情况。我们把所有东西都放在一个箱子里,不管是坐车还是坐飞机,都抱在怀里,小心翼翼地保护着。”现场的讲解和演示也是经过了一遍又一遍的练习。在队员们细致入微的准备下,一切成功都来得水到渠成。最终,他们的作品在全国高校数千件作品中脱颖而出,摘得一等奖。

让“脑机接口”技术造福更多人

参加这次“挑战杯”大赛,对于三位“挑战者”来说都是一场很难忘的经历。“参加比赛一开始是想要锻炼自己的技术。但是在过程中才发现,收获的其实远远不止是技术。”刘鹏说。在展示的过程中,如何将作品向所有人介绍清楚,清晰的逻辑、有条理的思考方式和丰富的写作技巧缺一不可。而经历了项目推进的全过程,对项目流程宏观的把握和队员之间感情的积淀,更是一座奖杯也难以取代的财富。

比赛刚刚结束,队员们就投入到产品的优化和升级工作中。他们打算升级游戏的画面、关卡和难度,同时进一步优化设计,让头带更美观,更舒适。目前,项目已经得到了上海荷福集团的投资,团队也已入驻学校众创空间。

对老年痴呆症的预防疗效目前已经进入到了临床实验阶段。团队表示,现在正在进行“脑机接口”项目其他产品的开发工作,希望让这项正在“冉冉升起”的技术造福更多人。谈到“脑机接口”方向的未来,瞿倩充满信心。“这个行业是朝阳产业,是未来发展的趋势。随着科学进步,我认为这个行业一定会蓬勃发展。”

文:学生记者团 王婧仪 王仕炀 王翔

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