腦機介面最新研究:失語癱瘓者每分鐘「說」出近30字元,平均錯誤率僅8.23%
腦機介面最新研究:失語癱瘓者每分鐘「說」出近30字元,平均錯誤率僅8.23%
2022.11.15 | AI與大數據

只要一個人的大腦神經活動還在,科學家們就有可能幫助失語癱瘓患者(由於嚴重聲帶和肢體癱瘓而交流受限)恢復應該有的交流能力。

腦機介面被寄予厚望,是近年來神經科學中最前沿的研究領域之一。在一項最新研究中,來自美國加州大學舊金山分校的科研團隊設計了一個神經假體,這種神經假體可以將腦活動轉譯為單個字母,實時拼出完整句子,展示在一名失語癱瘓患者面前。

據介紹,由該神經假體能構成的拼寫系統能夠以每分鐘 29.4 個字元的速度生成句子,平均字元錯誤率僅為 6.13%,且可以推廣到包含 9000 多個詞的詞匯表中。

相關研究論文以“Generalizable spelling using a speech neuroprosthesis in an individual with severe limb and vocal paralysis”為題,已於今日發表在科學期刊 Nature Communications 上。 神經外科醫生、加州大學舊金山分校神經外科和生理學副教授 Edward Chang 為該論文的通訊作者。

這一研究成果凸顯了無聲控制的語言神經假體通過基於拼讀的方法生成句子的巨大潛力。

曾讓癱瘓15年男子恢復「說話」能力

理論上,透過在人(或動物)與外部設備之間建立信息傳輸通路,並利用人工智慧等技術構建映射關系,就可以將人(或動物)的意識顯示在機器上。

此前,來自斯坦福大學的科研團隊就成功開發出一套腦機介面系統,該系統利用大腦運動皮層的神經活動可解碼「手寫」筆跡,並使用循環神經網路(RNN)將筆跡實時翻譯成文本,成功呈現在電腦屏幕上。

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圖/ 36Kr

同樣,早在去年 7 月,Chang 團隊就曾首次使用腦機介面幫助一位癱瘓超過 15 年的失語男子 BRAVO1 恢復了「說話」的能力。

據瞭解,BRAVO1 在 20 歲時因嚴重的腦乾中風癱瘓並失語,只有頭、脖子和四肢能進行極為有限的活動,但其大腦的認知功能完好無損。

他們為 BRAVO1 開發了一個包含 50 個單詞的系統,該系統每分鐘可以解碼 15.2 個單詞,準確率中值為 75%。

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圖/ 36Kr

在獨立單詞任務中,BRAVO1 先會看到 50 個常用單詞中的一個。當屏幕上的單詞變成綠色時,BRAVO1 便開始用意念「說」出這個單詞,進而讓電極記錄下他的神經活動。據論文描述,研究團隊共計進行了 9000 次單詞任務,有效數據時長為 22 個小時。

然而,這一系統受限於特定詞匯表,參與者必須嘗試大聲說出這些詞,這對於失語癱瘓的患者來說,是一項非常困難的任務。

在此次工作中,研究團隊通過設計其系統解碼與音標字母相關的腦活動,將此前的方法拓展到了更大的詞匯量,並提高了拼寫速度和準確性。

「會說話」的神經假體

神經假體是一種可以替代缺失的神經系統功能的設備,有望為因失語癱瘓而無法說話或打字的患者恢復交流能力。

然而,人們尚不清楚是否可以通過無聲地嘗試說話來控制交流神經假體。

在測試中,在參與者嘗試無聲地說出每個字母發音時,新系統能夠解碼參與者的腦活動,整個拼寫過程如下圖所示。

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工作示意圖
圖/ 36Kr

在句子拼寫試驗開始時,參與者試圖默念一個單詞來主動激活拼寫器(圖 a),在整個任務過程中,新系統從電極記錄的皮層數據中實時提取神經特徵(高伽馬活動和低頻信號),麥克風信號表明在執行任務期間沒有聲音輸出(圖 b)。

據論文描述,語音檢測模型由 RNN 和閾值計算構成,通過處理神經特徵來檢測無聲語音嘗試,一旦檢測到,拼寫過程就會開始(圖 c)。

在拼寫過程中,參與者在每 2.5 秒發生一次的字母解碼周期中拼寫想要表達的信息,在每個周期內,都會看到一個倒計時,最後看到一個代表“開始”的提示,然後試圖默念出代表所需字母的代碼字(圖 d);在整個拼寫過程中計算所有電極通道的高伽馬活動和低頻信號,並將其分成 2.5 秒的非重疊時間視窗(圖 e)。

隨後,基於 RNN 的字母分類模型會處理每一個神經時間窗,預測參與者試圖默念 26 個可能的代碼字或者試圖執行一個手動命令的概率,如果預測手動命令的概率達到了 80% 以上,則拼寫過程結束,否則預測的字母概率繼續由波束搜索演算法進行實時處理,並將最有可能的句子顯示給參與者(圖 f)。

最後,當參與者拼出想要表達的信息後,可以通過握緊右手來結束拼寫過程,最後完成整個句子(圖 g),與手動指令相關的神經時間窗會被傳遞給分類模型(圖 h),如果分類模型收到了參與者的手動命令,基於神經網路的語言模型(DistilGPT-2)就會對有效句子重新評分,評分後最有可能的句子被用作最終的預測(圖 i)。

測試結果顯示,參與者從一個1152 個單詞的詞匯表裡,能夠以每分鐘 29.4 個字元的速度生成句子,平均字元錯誤率僅為 6.13%。

在進一步的實驗中,研究團隊發現,這一方法可以推廣到包含9000多個單詞的詞匯表中,平均錯誤率也只有8.23%。

以上研究結果表明,基於拼讀方法利用語音編碼詞匯生成句子的無聲控制語言神經假體具有相當大的應用潛力。

未來,研究團隊還需要繼續研究該方法是否能在更多患者中達到同樣或者更好的效果。

本文授權轉載自:36Kr

責任編輯:何汶、林美欣

關鍵字: #演算法
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晶睿通訊「安全地圖」永續活動讓國發會也點頭ㅤ安防大廠背後盤算什麼?
晶睿通訊「安全地圖」永續活動讓國發會也點頭ㅤ安防大廠背後盤算什麼?

攜手地方創生團隊規劃大陳新村安防解決方案 獲選國發會案例

ESG為企業關注的顯學,如何真正落地成為關鍵。今年行政院國家發展委員會公布「地方創生與企業永續共創發表會」代表案例,提出三大合作模式,並集結包括晶睿通訊、玉山銀行、全家便利商店等指標企業。在眾多案例中,晶睿通訊以長期投入的「安全地圖」永續活動脫穎而出,成為「生態建構型」模式代表企業,展現科技業如何以本業為核心,深度參與地方轉型,為環境安全和永續賦能。

國發會攜手資誠永續提出三種企業參與地方創生的模式,包括「加速器型」、「價值整合型」與「生態建構型」。在「加速器型」中,企業以在地投入與專業支持,帶動產業升級與永續發展,如玉山銀行提供金融與培力資源協助地方創生。在「價值整合型」中,全家便利商店攜手在地團隊發展文化體驗,促進族群融合並創造新商機。晶睿通訊所屬的「生態建構型」,則更強調跨域整合與長期投入,企業不只是提供技術,而是串聯地方團隊、政府與學界,共同解決區域性的系統問題。

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圖說:晶睿通訊發言人謝邦彥(右)表示,透過舉辦「安全地圖」活動,發揮安防影響力,守護地方文化與生活環境。
圖/ 晶睿通訊

晶睿通訊發言人暨企業品牌永續室處長謝邦彥表示:「晶睿通訊致力成為最值得信賴的安防品牌,多年來以『安全地圖』實踐企業永續理念。透過與合作夥伴協力,運用創意讓安防解決方案融入地方文化與生活環境。很榮幸獲得國發會的關注,透過產官學資源投入,攜手地方創生團隊推動社會永續安全,創造共好的永續家園。」

讓安全成為地方創生的動能 安全地圖發揮長效影響力

晶睿通訊在2024年與花蓮地方創生團隊「小羊社會創新工作室」合作,帶領員工走進全台規模最大的大陳新村,從基本的場域觀察開始,盤點治安死角與環境風險,並結合AI,提出一系列的安防改善方案,包括無障礙空間優化、智慧照明建置,以及影像辨識應用,提升社區安全與生活品質,讓老眷村住得更安心。

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圖說:晶睿通訊與花蓮地方創生團隊小羊社會創新工作室合作,透過「安全地圖」活動,強化居住安全品質。
圖/ 晶睿通訊

然而 ,真正的改變關鍵往往不在當下,而是後續的擴散效應。小羊社會創新工作室依照晶睿通訊建議的方向,逐一實踐安全之路,包括舉辦安全講座,提升社區居民的安全意識。另外,除了收到晶睿通訊捐贈的攝影機外,也因為雙方合作強化地方安全的提案,進一步獲得地方政府經費支持,升級安防基礎設施,額外再獲得超過十台攝影機,分別裝在活動中心、公園、廟宇等重點場域,讓原本由企業啟動的行動,轉化為地方長期發展的一部分,從安全改善,到觀光潛力提升,在大陳新村形成正向循環。

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圖說:小羊社會創新工作室採納晶睿通訊建議,舉辦安全講座,提升社區居民的安全意識。
圖/ 晶睿通訊

小羊社會創新工作室創辦人趙孝嚴表示,大陳新村裡的信仰中心「阮弼真君廟」是觀光熱點,有許多觀光客來參拜,但也因此容易招來扒手偷拿香油錢,當初晶睿通訊建議社區在此處安裝監視器,目前已發揮作用,今年3月中即因錄下關鍵畫面,掌握竊盜者,讓社區居民住得更安心。趙孝嚴說:「看到長輩們在監視器畫面前圍觀,經過搜尋找到小偷,將畫面交給警局的那一刻,大家都鬆一口氣,因為我們終於有保護自己的力量,讓社區安全更進一步落實。」

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圖說:晶睿通訊「安全地圖」帶動改變,大陳新村獲政府資源升級安防系統,最終拍下香油錢遭竊的關鍵畫面,讓安全風險無所遁形。
圖/ 晶睿通訊

目前大陳新村持續在規劃套裝行程,開放觀光客來體驗大陳文化,趙孝嚴表示,過往經驗大概有7成會規劃輕旅行活動,因此場域安全性扮演非常重要的關鍵。這次和晶睿合作,獲得許多創意點子,讓在地團隊重新檢視環境安全對觀光發展的影響,進一步優化動線與場域規劃,也更有信心打造讓遊客安心、願意停留的文化旅遊體驗,為地方創生注入長遠動能。

安防影響力放大 足跡遍及社區、社福機構、校園、大自然

晶睿通訊「安全地圖」活動,除了為地方創生團隊帶來安全效益外,更多是讓「安全」成為連結人、社區與環境的重要基礎。從社區、社福機構、校園,到自然環境,藉由專業技術擴大安防的影響力,為地方賦能。

2025年,晶睿通訊號召員工走進大自然,到南投縣國姓鄉種瓜溪,攜手中興大學社會責任「環境韌性與永續」團隊,還有以AI大數據推動精準農業的合作夥伴DATAYOO悠由數據,展開「復育種瓜溪 生態安全地圖」任務,導入安防解決方案監測生態,成功捕捉到保育類動物食蟹獴覓食的珍貴影像;同時,移除外來入侵種、復育原生植物,並開挖生態池,持續將永續行動理念融入安防本業,守護棲地與生物多樣性,後續種瓜溪也邁向成為推動環境教育的優質場域。

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圖說:晶睿通訊和中興大學USR團隊合作,在南投種瓜溪導入安防解決方案,成功捕捉到保育類動物食蟹獴出現的珍貴影像。
圖/ 晶睿通訊

從2021到2023年,晶睿通訊分別號召員工到新北中和建和里社區、桃園安康教養院,及台北士林雙溪國小,檢查該場域環境安全性,並針對痛點提出解決方案,像桃園安康教養院,透過導入AI安防解決方案,包括電子圍籬等,讓院方用科技即時掌握院生動態,保護院生安全的同時,降低對人力長時間值守的需求與輪班看護的壓力。

真正的永續,不只是單次投入 而是持續與地方一起成長

五年來,晶睿通訊「安全地圖」永續活動在產官學研跨界合作下,超過百人協作攜手實踐,從社會關懷到環境守護,累積投入時數超過三千小時,不同於在地方只辦一次性活動,「安全地圖」從問題盤點出發,進一步導入解方與資源,讓行動不只發生,更能延續。也因此,「安全地圖」的價值,不在短暫參與,而在於每一次行動都能在地方持續發酵、留下可以被看見的改變。

安全地圖活動合作請洽:esg@vivotek.com

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