АНАЛИЗ ИНТЕРФЕЙСА «МОЗГ – КОМПЬЮТЕР» НА ОСНОВЕ ВЫЗВАННОЙ ВОЛНЫ Р300 И ОБЗОР ВОСЬМИКАНАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФА ИУЭУМ им И.С. БРУКА

В настоящее время задачи с анализом и обработкой данных мозговой активности являются крайне актуальными. Современные исследования в области создания интерфейсов мозг-компьютер охватывают широкий ряд направлений и связаны с необходимостью разработки общих систем управления роботами и компьютером, систем для видеоигр, систем для людей с ограниченными возможностями и других. Одна из задач, на решение которой направлено создание интерфейса мозг – компьютер, состоит в классификации состояний человека (например, классификация состояний усталости или состояний сна человека). При этом необходима обработка данных в реальном времени для построения моделей, которые отражают состояние испытуемых.

Данная работа посвящена описанию исследования интерфейс "мозг-компьютер" основанный на базе вызванной волны P300. Кроме того, в работе описано про восьмиканальный электроэнцефалограф (производства компании ИНЭУМ им. И.С. Брука).

1 Интерфейс "мозг-компьютер" на основе вызванной волны P300

Основной целью применения ИМК является получение компьютерной системой однозначно интерпретируемых команд непосредственно от головного мозга без использования мышечной активности. Для разработки ИМК следует рассматривать три основные парадигмы:

• неинвазивный ИМК, основанный на распознавании ментальных состояний, вызванных воображаемым выполнением движений. Он обеспечивает формирование дискретных управляющих команд и требует минимального времени обучения оператора при достаточно высокой производительности;
• неинвазивный ИМК, использующий принцип непрерывного управления. После выработки навыка управления, такой ИМК позволяет управлять внешним устройством как собственным (виртуальным) исполнительным органом, не требуя ментального кодирования дискретного набора команд;
• инвазивный ИМК, основанный на двусторонней связи мозг-компьютер посредством имплантируемых электродов и позволяющий полностью инкорпорировать внешние технические устройства во внутреннюю нейронную модель схемы тела и, соответственно, оперировать с ними так же, как и с естественными исполнительными органами.

Чаще всего в различных проектах применяется неинвазивные ИМК первого типа, построенные на основе многоканальной электроэнцефалограммы головного мозга (ЭЭГ). В основе такой системы лежит регистрация электрического потенциала на поверхности головы и его компьютерная обработка.

В ЭЭГ человека прослеживается определенная ритмическая активность, которая делится на несколько групп в зависимости от частоты волн (альфа-ритм, бета-ритм, гамма-ритм, дельта-ритм, мю-ритм). Для состояния бодрствования характерны бета- и мю-ритмы. Гамма- и дельта-ритмы появляются при засыпании и во сне. Альфа-ритм появляется при закрывании глаз, а также в медитативных состояниях. В связи с этими особенностями ритмов в ИМК наиболее часто используются мю-, бета- и альфа-ритмы.

2 Восьмиканальный электроэнцефалограф ИНЭУМ им И.С. Брука

Электроэнцефалограф производства компании ИНЭУМ им И.С. Брука представляют собой многоканальные регистрирующие устройства, объединяющие 8 идентичных усилительно-регистрирующих блоков (каналов), позволяющих таким образом регистрировать одномоментно электрическую активность от соответствующего числа пар электродов, установленных на голове обследуемого.

Электроэнцефалограф ООО ИНЭУМ им И.С.Брука цифрового типа с сухими электродами преобразуют ЭЭГ в цифровую форму и вводят ее в микроконтроллер STM32, который управляет непрерывный процесс регистрации ЭЭГ, одновременно записываемой в память компьютера.

Микроконтроллер STM32 реализует систему генерации управления исполнительными механизмами и потоковую передачу данных по протоколу MODICON MODBUS RTU. Протокол реализован на физических линиях интерфейса RS232 через микросхему FTDI, транслирующую пакеты RS232 в USB. Таким образом, прием и передача пакетов ЭЭГ может осуществляться по интерфейсу USB. E1 – RLD (DRIVE);

E2 – RLD (REF–LEFT);

E3 – RLD (REF–RIGTH).

Назначение USB портов:

USB1 – прошивка микроконтроллера;

USB2 – питание устройства;

USB3 – чтение/запись данных устройства.

Инфракрасный порт IR – для управления внешними устройствами.

Назначение переключателей:

SWITCH1 – переключает режимы работы устройств (STM32F429 или BLUENRG-1). Положения переключателя: 1 – рабочий режим; 2 – сброс устройства; 3 – режим программирования (boot);

SWITCH2 – коммутирует устройства, для которых задаются режимы работы переключателем SWITCH1. Положения переключателя: 1–2 – выбор микроконтроллера STM32F429; 3 – выбор микроконтроллера BLUENRG-1.

Рисунок 1. Назначение разъемов электроэнцефалографа

 3 Разбор данных поступившие и паркинг пакета из электроэнцефалограф

Для получения доступа к отснятым или уже обработанным данным необходимо выдать ряд команд инициализации, а также команд запросов в формате, представленном ниже: (таблица 1)

Таблица 1.

Формат пакета, полученного из ЭЭГ

Рисунок 2. Электроэнцефалограф ИНЭУМ им.И.С. Брука

Заключение

В результате проведенного исследования были проанализированы различные типы системы ИМК на основе вызванной волны P300. Кроме того, описано про восьмиканальный электроэнцефалограф (производства компании ИНЭУМ им И.С.Брука) и разобран пакет данных, полученный от этого же энцефалографа.

Список литературы:

1. Фролов А. А., В. Ю. Рощин ИНТЕРФЕЙС МОЗГ-КОМПЬЮТЕР – РЕАЛЬНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ. Нейронные сети. 2017. [Электронный ресурс] – Режим достуа. – URL:http://www.drmueller-healthpsychology.com/What_is_AVE.html  (дата бращения 02.04.2018)
2. В.Н. Кирой. Интерфейс мозг-компьютер (история, перспективы). Ростов-на-Дону – Издательство  университета . 2011 г., 48 рис., 240 с.
3. К.Д. Вигасина. Разработка гибридного интерфейса глаз-мозг-компьютер, использующего саккады в ответ на стимулы – Дипломный проект. МГУ, Кафедра ВНД, 2015