VYUŽITÍ EEG A BFB PRO NÁVRH A REALIZACI ROZHRANÍ ČLOVĚK-STROJ Analýza PV VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra měřicí a řídicí techniky VYUŽITÍ EEG A BFB PRO NÁVRH A REALIZACI ROZHRANÍ ČLOVĚK-STROJ Viz fólie … Tomáš Štula Wofex 2003 M.Penhaker

Obsah prezentace EEG – elektroencefalografie Teoretický úvod BFB Návrh rozhraní člověk-stroj Praktická realizace Závěr

1. EEG - elektroencefalografie Elektroencefalografie (EEG) je diagnostická metoda snímání a záznamu bioelektrických potenciálů, které vznikají při činnosti mozku. Mozek je nejdůležitější a nejkomplikovanější orgán lidského těla, obsahuje více než 100 miliard neuronů propojených navzájem stovkami až desetitisíci spoji.

Charakteristika EEG signálů Elektrické charakteristiky mozkových vln rozdělují stavy vědomí do čtyř základních frekvenčních pásem: delta - méně než 4 Hz, amplituda 75 – 210 mV theta - 4 - 8Hz, amplituda 5 – 100 mV alfa - 8 -13Hz, amplituda 30 – 50 mV, tlumí se otevřením očí a duševní činností, lze ovlivnit vůlí beta - více než 13 Hz, amplituda do 20 mV, rytmus typický pro soustředění na vnější podněty alfa beta theta delta

Praktická ukázka EEG průběhu Vzorkovací frekvence 128 Hz Amplituda EEG 5-210 mV Snímaní pomocí EEG čepice, systém 10/20 Nejčastěji 19 kanálové snímaní Převážně dlouhodobé sledování Paměťové nároky

2. Teoretický úvod BFB Bio-Feed-Back – biologická zpětná vazba Nebolestivou, neinvazivní metoda - částečně terapie, částečně trénink a částečně sebeučení Umožňuje koordinaci mozkové aktivity na základě vizuální informační zpětné vazby Mozková aktivita je reprezentována signály ve frekvenční oblasti – EEG

Technika BFB Metoda BFB stimuluje mozek ke generování mozkových potenciálů o dané frekvenci, charkteristické pro soustředění Porucha pozornosti  nadměrně  theta aktivita Terapie  udržení pozornosti co nejdéle Snaha být soustředěný a vnímavý Učení pomocí vizuální zpětné vazby

Zařízení BFB Terapie je prováděna formou hry na PC Pacient se zapojuje myšlením do činnosti Hraje hry vizalizované na monitoru Aktivita mozku je snímána EEG zařízením Na základě úspěšnosti herní aktivity je mozek zpětně informován formou odměny (hra se daří) nebo nebo inhibice (hra se zastaví) Tím je prováděn cílený trénik mozkové aktivity

Funkce BFB S podporou moderní výpočetní techniky a monitorovacích EEG přístrojů sledujeme a zaznamenáváme ve zlomcích okamžiku změny biologických procesů probíhajících pod povrchem těla a podávají o nich okamžitou zvukovou, vizuální nebo kombinovanou informaci na displeji přístroje. Tato informlace je vodítkem k vědomému ovládání těchto změn.

Druhy indikace soustředění trénink s indikací svalového napětí (EMG-BFB) trénink s indikací mozkových vln (EEG-BFB) trénink s indikací teploty pokožky (TEMP-BFB) trénink s indikací el. odporu pokožky (GSR-BFB) trénink s indikací krevního tlaku a rychlosti pulsovních vln (BP-BFB) trénink s indikací srdečního rytmu (EKT-BFB)

Schéma BFB pracoviště

3. Návrh rozhranní člověk-stroj Zařízení pro snímání elektrického odporu pokožky MindDrive (GSR-BFB) PC + aplikační software pro vizualizaci a analýzu signálu Bezdrátová komunikační linka pro přenos řídicích povelů k mobilnímu robotu Mobilní robot

4. Blokové schéma řešení

Popis funkce zařízení Zařízení se skládá z PC na jehož rozhraní je připojen snímač BFB Současně je na rozhraní PC připojen vysílač povelů mobilního robotu Mobilní robot je napájen akumulátory a umožňuje volný pohyb po hrací ploše omezené mantinely V případě připojení snímače BFB, začnou být snímány signály a po jejich zpracování v počítači je dán vysílačem povel mobilnímu robotu ke změně rychlosti pohybu po kružnici

Plocha pohybu mobilního robota

Princip činnosti Člověk nesoustředěný  Robot se pohybuje konstantní rychlostí Pomocí vizualní zpětné vazby se snažíme mobilní prostředek přinutit zvýšit rychlost pohybu Volby mozkové aktivity (reprezentovanou změnou impedance kůže), kterou chceme trénovat  např. BETA Výskyt BETA rytmu  zrychlení pohybu robota Zánik BETA rytmu  zpomalení pohybu robota Takto lze koordinovat mozkovou aktivitu na základě vizualní zpětné vazby tak, aby byl člověk soustředěny

4.1 GSR BFB MindDrive Založen na metodě GSR Využívá změny impedance pokožky v závislosti na změně mozkové aktivity Prstový senzor impedance Číslicové zpracování dat Periferní výstup přes RS232

Ukázka zařízení

4.2 PC + aplikační software PC Intel Pentium 4 – 1.7GHz, 512MB RAM, zvuková karta Sound Blaster Live, grafická karta ATI RADEON 7500 OS na platformě WIN32 - Windows XP Aplikační program vytvořen v Microsoft visual C++ 6.0

4.3 Bezdrátová komunikační linka Jednosměrný přenos řídicích povelů Vysílací a přijímací modul RADIOMETRIX TX2, RX2 – 433MHz Přenos v pásmu UHF, FM modulace Rychlost přenosu max. 40kbit/sec. Externí anténa Miniaturní provedení Dosah 75 – 300 m

4.4 Mobilní robot 75 x 75 x 75 mm, dvě kolečka, baterie 2 x DC mikromotor Faulhaber 4,05W Implementován snímač otáček – 512 pul./ot. 10.8 V NiMH 880mAh baterie – 30min. provozu 8-bit mikrocontroller PIC16F876-20MHz 2 x PID regulátor LM629-SMD PWM výkonový budič motorů L298 Firmware pro komunikaci a reg.otáček

Robot – mechanická část

Robot – elektronická část

5. Závěr Demonstrace základní principů ovládání robota technikou BFB Řídicí PC + bezdrátová komunikační linka Úplnou pohybová volnost po ploše ohraničené mantinely Programové vybavení pro ovládání pohybů robotu Vytvořen firmware robota Zahrnuto do přednášek a cvičení předmětů LDP a LTP Kooperace zařízení BFB -  PC – ROBOT Vylepšení – archivace snímaných signálů + automatizovaná analýza