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Control and sensing system for diffusion optical tomography and method for operating the same
(2015-01-20)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
A control and sensing system for diffusion optical tomography and a method for operating the same are disclosed. The control and sensing system includes a control unit and a sensing circuit with a plurality of light sources and sensors, each light source being surrounded by a corresponding predetermined number of the sensors. The control unit instructs the light sources to individually emit light to an object, so the object generates a plurality of optical signals, and instructs the predetermined number of the sensors corresponding to each light source to receive the optical signals and transmit them to the control unit, thereby reducing the complexity of the control and sensing system.
CONTROL AND SENSING SYSTEM FOR DIFFUSION OPTICAL TOMOGRAPHY AND METHOD FOR OPERATING THE SAME
(2013-06-20)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
A control and sensing system for diffusion optical tomography and a method for operating the same are disclosed. The control and sensing system includes a control unit and a sensing circuit with a plurality of light sources and sensors, each light source being surrounded by a corresponding predetermined number of the sensors. The control unit instructs the light sources to individually emit light to an object, so the object generates a plurality of optical signals, and instructs the predetermined number of the sensors corresponding to each light source to receive the optical signals and transmit them to the control unit, thereby reducing the complexity of the control and sensing system.
Device and method for diffusion optical tomography
(2013-10-22)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
A device and method for diffusion optical tomography are disclosed. The device includes a sensing circuit with a plurality of light sources and sensors and an optical tomography element having a control unit, a computation unit and an image reconstruction unit. First, the computation unit constructs an image model of an object using optical parameters of the object, and performs decomposition on the image model. Then, the control unit instructs the light sources to emit light to the object, and receives a plurality of optical signals generated by the object in response to the light. Finally, the image reconstruction unit combines the optical signals and the decomposed image model and reconstructs an image of the object based on the combination of the optical signals and the decomposed image model.
IMAGE PROCESSING UNIT FOR OPTICAL TOMOGRAPHY
(2013-06-20)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
An image processing unit for optical tomography is applicable in miniaturized diffusion optical tomography devices. It includes an image reconstructor and an image post-processor. The image reconstructor receives a plurality of optical signals generated from an reaction of an object under test with irradiating light and an inverse solution matrix of an image model of the object, and obtains scalar product on each of the optical signals and the inverse solution matrix through a sub-frame algorithm to generate an original image corresponding to the object. Then, the image post-processor performs a Gaussian extended algorithm on the original image to output a final image. With the image reconstruction and image post-processing of the present invention, slowing down of computation speed due to miniaturization of the conventional optical tomography techniques can be avoided, while providing good quality in the output image.
INDEPENDENT COMPONENT ANALYSIS PROCESSOR
(2012-06-21)
Chen Chiu-Kuo
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Fang Wai-Chi
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Chua Ericson
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Fu Chih-Chung
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Tseng Shao-Yen
An independent component analysis processor conducts real-time operations of multiple-channel parallel signals. The processor includes an input buffering unit for receiving and storing multiple-channel parallel signals, a mean/covariance unit, a centering unit for removing direct current components in the multiple channels parallel signals, a whitening unit for performing a whitening process, and an ICA training unit and an ICA calculating unit that perform an independent component analysis process, to calculate independent components in the multiple-channel parallel signals and separate artifacts from the signals.
PORTABLE 2-DIMENSION OXIMETER IMAGE DEVICE
(2014-05-08)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
A portable 2-dimension oximeter image device is disclosed. The portable 2-dimension oximeter image device includes a plurality of light sources for emitting light to an object to be measured such that a plurality of sensors can sense the intensity of reflected light from the measured object; an analysis processor for receiving the light intensity sensed by the front-end detectors to analyze and calculate based on an oxygen saturation distribution algorithm to generate oxygen saturation distribution information; an image reconstruction unit for reconstructing an image according to the oxygen saturation distribution information to generate image information with a color scale to demonstrate the differences in the object's oxygen saturation in each regional tissue of the object, thereby providing an effective and accurate regional detection range.
REAL-TIME MULTI-CHANNEL AUTOMATIC EYE BLINK ARTIFACT ELIMINATOR
(2015-01-15)
Fang Wai-Chi
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Liao Jui-Chieh
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Shih Wei-Yeh
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Huang Kuan-Ju
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Chen Chiu-Kuo
A real-time multi-channel automatic eye blink artifact eliminator includes a receiving unit for receiving independent component data; a temporary storage unit for saving pieces of the independent component data to form a data segment; a detection unit for detecting an eye blink artifact in the data segment through a sample entropy algorithm to generate a sample entropy value corresponding to the data segment; and a processing unit for determining whether the data segment contains the eye blink artifact according to the sample entropy value to generate an output result, eliminating the eye blink artifact according to the output result and outputting processed independent component data. The receiving unit continuously receives a next piece of the independent component data and the temporary storage unit discards the oldest one and adds a new one to form a new data segment, thereby continuously performing the eye blink artifact elimination to each data segment.
REAL-TIME SIGNAL PROCESSING SYSTEM AND METHOD BASED ON MULTI-CHANNEL INDEPENDENT COMPONENT ANALYSIS
(2014-10-23)
Fang Wai-Chi
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Shih Wei-Yeh
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Liao Jui-Chien
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Huang Kuan-Ju
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Chen Chiu-Kuo
A real-time signal processing system and method based on multi-channel independent component analysis (ICA). A one-pass recursive ICA processor uses a computation module to perform multi-channel ICA on a set of first data to generate a plurality of second data and third data. A noise removing module uses the computation module to identify noise in the second data and remove the identified noise to generate a plurality of fourth data. A reconstruction module uses the computation module to reconstruct the set of first data based on the fourth data and the third data to generate a plurality of fifth data. The one-pass recursive ICA processor, the noise removing module, the reconstruction module and the computation module are all implemented on a single chip, such that the one-pass recursive ICA processor, the noise removing module and the reconstruction module share the same computation module to save hardware resources.
ROTATION TYPE OPTICAL TOMOGRAPHY SCANNER
(2014-07-03)
Fang Wai-Chi
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Chen Tien-Ho
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Kang Shih
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Wu Shih-Yang
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Cheng Ching-Ju
A rotation type optical tomography scanner is provided, including an illuminating unit disposed on a surface of an object-to-be-detected for emitting incident light to tissues under the surface of the object-to-be-detected; a detecting unit disposed on the object-to-be-detected and rotating around the illuminating unit to receive diffuse light diffused from the tissues under the surface of the object-to-be-detected and generate tissue sensing information; and a positioning unit for generating position information of the rotation type optical tomography scanner. The rotation type optical tomography scanner transmits the sensing information and the position information to a remodel module to rebuild the tissue images under the surface of the object-to-be-detected, thereby expanding the scanning range of the object-to-be-detected.
SLEEP APNEA DETECTION SYSTEM AND METHOD
(2014-05-22)
Fang Wai-Chi
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Chen Hsiao-Yu
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Huang Teng-Chieh
The invention provides a sleep apnea detection system and method. The system includes a detecting module, a processing module, a converting module and a determining module. The detecting module detects a plurality of peak time points of R-waves in an ECG (electrocardiograph) signal. The processing module calculates areas of the R-waves at a predetermined time range based on the peak time points, so as to produce a plurality of first R-wave area signals based on the areas and generate an EDR (ECG Derived Respiration) signal based on the peak time points and the first R-wave area signals. The converting module converts the EDR signal to a frequency signal. The determining module determines whether a maximum peak frequency of the frequency signal is at a first frequency segment or a second frequency segment to determine the frequency signal being an apnea signal or a normal breathing signal.
具前瞻性綠能功能之DOT/EEG/EKG腦心健康照護系統晶片暨嵌入式系統關鍵技術
(2010)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
本計畫將提出具前瞻性綠能功能之EEG/ECG/DOT 腦心健康照護系統晶片暨嵌入式系統關鍵技術，透過與美國加州大學聖地牙哥分校神經計算研究所進行技術交流與合作研究，共同研發此系統。此系統包含前端感測電路，將低雜訊前端類比所測得之腦、心臟波及擴散光信號，分別輸入至改良型8/12/16/32通道獨立成份分析引擎、1/12導心電圖分析系統和擴散光學斷層掃描系統，並將信號傳送至資料探勘分析系統以及心臟波、三維腦波與腦影像顯示平台。其中為達到極低功率消耗及高可攜性的目標，本計畫將對系統各部份進行功耗分析，並利用Cadence工具及研發團隊自主設計之極低功率元件庫使晶片達到最低功耗的特性有效提升前端生醫感測系統的可攜性及可穿戴性，並且使用高階封裝技術有效減少晶片體積、改善可靠度及測試品質、並達到異質整合成果。本系統也透過藍芽傳輸模組將初步分離的信號，傳送至資料探勘分析系統，並診斷病患身體健康狀況，然後將腦波、心臟波和組織係數重建訊號傳送至後端顯示與介面嵌入式系統進行三維腦神經信號重建、心電圖檢測和組織重建影像，此三維成像引擎中的幾何子系統及光柵子系統在賽靈思的元件可程式邏輯閘陣列平台上將以軟/硬體協作之方式實現，本計畫也將以純硬體智財方實現到該平台之上。結果將在元件可程式邏輯閘陣列系統輸出至液晶顯示器螢幕，或是以可攜式裝置(如手機/掌上電腦)作為媒介呈現，驗證功能後我們將會進一步以專用集成電路流程實現該設計。
可攜式EEG/EKG/fNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---子計畫三：低功耗生醫信號處理及影像重建系統單晶片設計(I)
(2008)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
本計畫在設計一顆低功率生醫訊號處理及影像重建系統單晶片(SoC)，應用在可攜式的腦神經影像儀之核心硬體。此晶片系統架構主體為一個新穎的二維獨立成份分析(2D-ICA)影像處理器並結合資訊壓縮模組以及短距通訊模組。此系統單晶片收集來自前端偵測模組的生醫訊號其中包含了fNIRS、EEG及EKG的訊號，並進行即時的生醫訊號處理及影像重建運算，將處理完的結果送至後端的science station。此系統單晶片進行影像重建功能時，除了自身取得的影像資訊，另外必須從其周圍四顆fNIR node擷取raw image data，以進行五組的2D-ICA影像去雜訊及重建演算。當即時解析所擷取含雜訊的影像資訊時，必須並配合ARM micro computer控制EKG信號，以便補償血液流動與血管擴張時對fNIR image所產生的雜訊。經過獨立成份分析影像處理後的清晰fNIR影像資訊會採JPEG無失真壓縮機制，保存完整醫學影像資訊，最後以無線網路(WLAN)傳輸至science station進行3D影像重建。我們提出一個由2×2 node 組成的cluster架構，此種擺放方式可以使得整體node 陣列所需的擺放面積大幅減少，單位node面積減少一半，還可以提升受測者的舒適度；此外我們引進super node concept，將所有cluster內所有node raw image在2D-ICA演算完畢後都由ARM 7控制，傳輸至cluster內同一顆super node，並批次傳輸至science station，達到降低功率耗損，增加頻寬使用的效率。本子計畫的目的便是針對總計劃輕量化可攜式即時fNIR影像去雜訊的需求，來設計製作『低功率生醫訊號處理及影像重建系統單晶片』，單晶片系統包含ICA image pre-processor、2D-ICA image processor、power management module以及ARM IP，為了節省功率消耗，我們未來將採用90m製程規格晶片下線。研究人員將根據以下三點來建構系統：（1）設計fNIR影像處理器（2）設計cluster內node communication、super node低功率，高頻寬使用效率ARM IP。（3）結合EKG及node自身與周圍raw image資訊，找出最佳fNIR/EKG演算法整合至影像重建系統單晶片中。SoC系統驗證將採用CIC-concord平台並與CIC合作開發適合此計畫使用，並將所有子系統模組IP化並整合至此平台。第一年計畫摘要：本計劃將發展2D-ICA演算法並據之來設計功能性近紅外線 (fNIR)影像處理晶片。此晶片將處理來自子計畫2 經過ADC傳送過來的多樣生醫訊號。本計劃初期演算法設計冀求能達成即時處理生醫影像訊號的功能，另考慮晶片設計需達到低功率消耗之要求，故此設計也需精簡的fNIR影像處理演算法。為了達成可攜式fNIR影像處理系統，本計劃將研發低功耗cell based libray，並以之來設計低功率的影像處理晶片。研究初期將以FPGA驗證根據2D-ICA演算法發展出來之硬體雛型規格；另一方面，本計劃也將發展JPEG無失真壓縮演算法，並以FPGA平台來驗證根據無失真JPEG演算法發展出來之硬體雛型規格。在此階段，本計劃將協助建立對應於子計畫1所需之生物規格與驗證方法。第二年計畫摘要：第二年的工作預計採用TSMC 0.13um 1P6M mixed-signal 製程，以晶片實現第一年經FPGA發展出來之演算法硬體雛型。此外，本系統亦整合ARM IP，設計系統pipeline流程以及communication控制器。本年度將持續完成系統與science station的wireless communication，以System in Package (SiP)方式完成fNIR/EEG生醫信號處理平台。最後，評估系統穩定性及容錯度是否符合當初制定的規格。第三年計畫摘要：根據子計畫1提供之相關於fNIR與全域EKG （global EKG）訊號時變關係規格，近一步研發整合EKG訊號至fNIR image processor，以改良fNIR/EKG影像成像效果。第三年的工作將採用UMC 90nm mixed-signal製程來整合fNIR image processor以及wireless communication module，冀期完成整合多功能fNIR/EEG/EKG 單晶片系統，此單晶片測試及驗證將使用CIC-concord平台來實踐。本計劃將與子計畫1配合來完成系統層次的整合，並協助進行fNIR/EEG/EKG生醫訊號科學分析及應用。
可攜式EEG/EKG/fNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---子計畫三：低功耗生醫信號處理及影像重建系統單晶片設計(II)
(2009)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
可攜式EEG/EKG/fNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---子計畫三：低功耗生醫信號處理及影像重建系統單晶片設計(III)
(2010)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
可攜式EEG/EKG/FNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---總計畫(I)
(2008)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
近幾年來，由於腦科學研究的蓬勃發展，開拓了人類在科學研究上新的一頁。而除了原本的EEG 信號分析以外，腦神經研究的專家們已經把研究觸角延伸至研究腦細胞活動對於EEG 信號的相關性研究。為了達到此研究目的，EEG/fMRI 技術被研發出來以同時偵測腦電波信號以及血氧濃度變化特徵。然而，由於fMRI 的先天設計上，不論是從成像原理面向、設備複雜度面向、信號雜訊面向以及設備成本面向上，其成效及結果都非常的差，導致EEG/fMRI 在研究上非常不容易普及。為了克服 EEG/fMRI 的發展困境，本整合型計劃引進目前應用於腦神經影像的最新技術-fNIRS，進一步的創造新型腦科學研究的技術。而更進一步的考量血液動力學上對於血氧濃度變化的影響，本計畫亦整合 EKG 心電圖信號進入本系統，期望能達到同時以神經內科以及循環內科的角度來分析人類在不同行為之下的腦波狀態。此三年期整合計劃將藉由微電子、電機資訊，醫學資訊與工程等跨領域專家的合作，開發可攜式EEG/EKG/fNIRS 腦神經影像系統，以及對應該系統的生醫感測晶片系統設計。本計畫分為四個子計畫來執行：子計畫一其目的在於協助總計劃進行生物醫學方面的相關性研究，並協助建立其餘子計畫系統之生物規格及驗證方法。預計將透過雛型元件以及初步實驗，進而訂定其生物安全標準及規格，並將其結果統整建構專屬於EEG/EKG/fNIRS 的生物暨電子系統認證資料庫。在此同時，將原有適用於個人電腦的軟體工具改寫成為適用於嵌入式平台之3D 腦神經影像工具，並引領本計畫開發之元件進行動物實驗、人體實驗以及最後的科學驗證。子計畫二負責進行其複合生理訊號感測系統單晶片搭配乾式電極的設計與製作來偵測腦波圖、心電圖與近紅外線之生理訊號。主要使用微機電製程及前端類比電路設計技術，搭配SIP 整合乾式電極技術，進而完成偵測近紅外線(fNIRS)之互補式金屬氧化電晶體影像感測器、可程式化增益放大器、整合EEG/EKG 之前級儀表放大濾波器、生醫應用之整合型類比數位轉換器與等主要元件。子計畫三在設計一顆低功率生醫訊號處理及影像重建系統單晶片(SoC)，應用在可攜式的腦神經影像儀之核心硬體。此晶片系統架構主體為一個新穎的二維獨立成份分析(2D-ICA)影像處理器並結合資訊壓縮模組以及短距通訊模組，通過收集來自前端類比電路所獲得的fNIRS、EEG 及EKG 的訊號，於本晶片系統進行即時的生醫訊號處理及影像重建運算，將處理完的結果送至後端的science station。子計畫四負責進行整合生醫訊號處理晶片的設計與製作和後端 3D 運算顯示平台的開發。主要基於可程式邏輯閘陣列 (FPGA)和後端3D 演算法技術，完成EEG 信號處理晶片架構設計、HRV 晶片架構設計、可適性影像補插晶片等主要晶片元件，並且結合所開發出來的3D 顯示演算法來完成生醫訊號處理及嵌入式平台開發。總計劃將有效的整合四個子計畫個別所發展的成果，透過WLAN 無線通訊技術以及SIP 技術，達到最小系統體積及陣列感測的最終目標。此研究預期將是微電子、電機資訊，醫學資訊與工程之跨領域的成功整合。對晶片系統設計領域以及生物醫學領域具有觀念與應用突破的貢獻，其地位足夠提升我國生醫儀器產業水準，進而成為引領國際的主流之一。未來將可廣泛應用於腦功能病變治療以及相關認知神經科學的相關應用，讓科技更貼近人類的生活必須，增進生活之幸福與安全感。
可攜式EEG/EKG/FNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---總計畫(II)
(2009)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
可攜式EEG/EKG/fNIRS腦神經影像系統研發暨其整合型生醫感測處理晶片系統設計---總計畫(III)
(2010)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
整合腦電波獨立通道成分分析處理器與腦機介面之意念控制介面
(2013)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
本計畫將整合腦機介面以及腦電波獨立通道成分析處理器，來構成一個不需手動以及口說，只需依人腦的想法來控制的人機溝通介面。本計畫中的獨立通道成分析處理器演算法不同以往的最大信息獨立通道成分分析，採用的是線上遞迴獨立通道成分分析，此演算法的特性，比起先前的演算法，更具有資料處理的即時性，更適合做晶片的方式來呈現，亦即本實驗室的專長。由於腦機介面的成功機會，主要在於是否可得到不受肌肉電波影響以及外界環境干擾的腦電波，而獨立成分分析的主要功能就在於將此類的干擾電波，獨立在與腦波分離的通道上，故經過獨立通道成分分析資料處理，即可將乾淨解不受干擾的腦波傳輸到腦機介面處理器中，達到更精確的判讀。而本計畫將與美國加州大學聖地牙哥分校神經計算研究所進行合作，與其開發的腦波電話進行整合。由於我們採用的是處理晶片的呈現，可使人機介面達到即時的應用，不需離線的運算。經由腦波電話程式的開發以及處理晶片的結合，將可開發出超越現今的觸控界面，開啟意念控制的新世代。
整合腦電波獨立通道成分分析處理器與腦機介面之意念控制介面
(2012)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
本計畫將整合腦機介面以及腦電波獨立通道成分析處理器，來構成一個不需手動以及口說，只需依人腦的想法來控制的人機溝通介面。本計畫中的獨立通道成分析處理器演算法不同以往的最大信息獨立通道成分分析，採用的是線上遞迴獨立通道成分分析，此演算法的特性，比起先前的演算法，更具有資料處理的即時性，更適合做晶片的方式來呈現，亦即本實驗室的專長。由於腦機介面的成功機會，主要在於是否可得到不受肌肉電波影響以及外界環境干擾的腦電波，而獨立成分分析的主要功能就在於將此類的干擾電波，獨立在與腦波分離的通道上，故經過獨立通道成分分析資料處理，即可將乾淨解不受干擾的腦波傳輸到腦機介面處理器中，達到更精確的判讀。而本計畫將與美國加州大學聖地牙哥分校神經計算研究所進行合作，與其開發的腦波電話進行整合。由於我們採用的是處理晶片的呈現，可使人機介面達到即時的應用，不需離線的運算。經由腦波電話程式的開發以及處理晶片的結合，將可開發出超越現今的觸控界面，開啟意念控制的新世代。
次世代智慧型加護病房照護系統---總計畫暨子計畫四：應用於次世代智慧型ICU之低功耗多核生醫信號處理系統晶片平台設計( III )
(2013)
方偉騏
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Fang Wai-Chi
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所