информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

аватар: Taleb Emad Mahmood

Талеб Е.М. БМП-107

1. Введение

Любое движение, восприятие или внутренняя мыслительная деятельность связаны с определенным паттерном активации нейронов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электрических импульсов. Эти токи создают электромагнитное поле, которое можно зарегистрировать снаружи головы с помощью методов электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Метод ЭЭГ, разработанный Гансом Бергером в 1929 году, в течение многих лет успешно используется для 3 целей:

  • диагностики неврологических расстройств в клиниках и госпиталях;
  • для исследования функций мозга в нейрофизиологических лабораториях;
  • для терапевтических целей на основе биологической обратной связи.

Все это время выдвигались предположения (научные и околонаучные), что ЭЭГ можно также использовать для чтения мыслей или хотя бы для управления внешними устройствами напрямую. Это 4-ое применение ЭЭГ получило название brain-computer interface (BCI), а в русскоязычной литературе - нейро-компьютерного интерфейса (НКИ). Ряд ученых неоднократно предпринимал попытки по управлению устройствами с помощью ЭЭГ (Dewan 1967, Vidal 1973), а интерес широкой публики к этому направлению постоянно подогревался фантастическими фильмами, где использовались аналоги подобного интерфейса, например, фильмы Firefox, Johnny Mnemonic, Matrix, X-Man.

Практическая необходимость в таком интерфейсе давно назрела. Десятки тысяч больных уже сейчас нуждаются в подобном интерфейсе. В первую очередь – это полностью парализованные люди (с так называемым locked-in синдромом), например, некоторые пациенты с АЛС, общее количество которых в США достигает 30 тысяч человек; пациенты с тяжелыми формами церебрального паралича; пациенты с тяжелыми инсультами и травмами. Можно ожидать, что по мере развития эта технология может быть использована и другими пациентами с менее поврежденными системами движения, такими как квадроплегия.

Очевидно, что в основе BCI должно лежать распознавание паттернов биопотенциалов мозга. Если испытуемый может изменять характер своих биопотенциалов, например, выполняя определенные умственные задачи, то система BCI могла бы транслировать эти изменения в контрольные коды, например по перемещению курсора мыши на экране компьютера или руки робота-манипулятора. Также эти коды можно использовать для выбора букв на «виртуальной клавиатуре» или для контроля инвалидной коляски.

В 1988 году Фарвел и Дончин (Farwell 1988) впервые реализовали систему “виртуальной клавиатуры», позволившей печатать текст, распознавая компонент Р300 при съеме зрительных вызванных потенциалов (ВП). После этого было разработано много различных модификаций BCI систем со все возрастающими возможностями, уже нашедшими свое применение как в клинике для общения с пациентами, полностью утратившими возможность движения (Birbaumer 1999), так и инновационные технологические проекты по дистанционному управлению роботами (Millán 2004).

Скорость передачи информации (или пропускная способность) этого нового коммуникационного канала пока невелика. Однако постоянный прогресс в области техники регистрации ЭЭГ, алгоритмов обработки сигналов и распознавания паттернов, более глубокое понимание нейрофизиологии и вовлечение все большего числа ученых в эти работы обеспечивают неуклонное увеличение этой скорости, рост числа приложений и динамичный прогресс всего направления в целом.

Если в 1994 году было всего 6 исследовательских групп, занимавшихся BCI, то на первый международный съезд по BCI в 1999 году приехали исследователи из 2-х десятков лабораторий. На втором съезде в 2002 году были исследователи, представлявшие 38 исследовательских групп, включая США, Германию, Китай, Финляндию, Швейцарию, Англию, Канаду и др. Очередной съезд состоится в 2005 году.

Растет и финансирование этих разработок:

  • В 1999-2001 годах Европейский Союз профинансировал международный проект по созданию адаптивной BCI системы, способной к дальнейшему обучению в ходе ее использования - Adaptive Brain Interface (ABI).
  • Национальный институт здоровья (NIH) США в 2002 году выделил 3.3 M$ на дальнейшую разработку клинических BCI систем.
  • Американское Агентство Передовых Исследовательских Проектов (DARPA), известное своим ключевым вкладом в появление технологии Интернет, выделило 26 M$ на улучшении технологии инвазивной BCI.

Начиная с 2001 года, раз в 2 года проводится соревнование между BCI системами. Для этой цели несколько групп размещают для свободного доступа наборы ЭЭГ данных. Половина записей служит для обучения, а вторая используется для тестирования алгоритма. Условия соревнования для 2005 года доступны через эту ссылку.

2. Определение и терминология BCI

Наибольшее признание получило определение BCI , данное в работе Уолпау и других (Wolpaw, 2002):

BCI – это коммуникационная система, в которой сообщения или команды, посылаемые индивидуумом во внешний мир, не проходят через обычные нормальные выходные каналы мозга в виде периферийных нервов и мышц.

Согласно этому определению моргания не могут быть использованы BCI системой. Используются либо биопотенциалы мозга, зарегистрированные с поверхности скальпа – ЭЭГ, либо с поверхности коры – электрокортикограмма (ЭКоГ), либо внутримозговые отведения. Последние два способа относятся к инвазивной BCI.

Имеются и другие определения BCI, например:

BCI – это интерфейс между человеком и компьютером, который получает команды напрямую от мозга без совершения какого-либо физического движения (Levine 2002). 
или
BCI использует электрофизиологические сигналы для управления внешними устройствами (Bayliss 2001)

Существует и обратный интерфейс:

CBI (computer-to-brain interface) – это система реального времени, используемая для записи сообщений или команд прямо в мозг без использования обычных входных каналов мозга.

3. Типичный состав BCI системы

В состав BCI системы входят:

1.     Электроды для отведения биопотенциалов. Минимальное количество - 2, чаще записи производят с помощью 21, 64 и даже 128 каналов. При большом количестве электродов используют электродные шлемы для быстроты установки и увеличения точности позиционирования электродов над определенными полями мозга, а также воспроизводимости их расположения от эксперимента к эксперименту.

2.     Усилитель биопотенциалов, подключаемый к компьютеру либо напрямую (например, через USB порт), либо через интерфейсную A/D карту.

3.     Персональный компьютер для регистрации сигналов и их обработки. Так как во многих системах используется элементы biofeedback, то либо этот же компьютер, либо дополнительный ПК показывает испытуемому стимулы и результаты распознавания, например, вводимый текст.

4.     Программное обеспечение для регистрации и обработки ЭЭГ, распознавания паттернов и предъявления стимулов и результатов распознавания.

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

3 + 10 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии