Tomáš Štula

VŠB - Technická univerzita OstravaFakulta elektrotechniky a informatiky

Katedra měřicí a řídicí techniky

VYUŽITÍ EEG A BFBPRO NÁVRH A REALIZACI ROZHRANÍ ČLOVĚK-STROJ

Wofex 2003

Obsah prezentace

1. EEG – elektroencefalografie

2. Teoretický úvod BFB

3. Návrh rozhraní člověk-stroj

4. Praktická realizace

5. 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 stavyvědomí do čtyř základních frekvenčních pásem: 1. delta - méně než 4 Hz, amplituda 75 – 210 mV2. theta - 4 - 8Hz, amplituda 5 – 100 mV3. alfa - 8 -13Hz, amplituda 30 – 50 mV, tlumí se otevřením očí a duševní činností, lze ovlivnit vůlí4. 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

BFB hardware

PC

Vizuální zpětná vazba

Terapeutický dohled

3. Návrh rozhranní člověk-stroj

1. Zařízení pro snímání elektrického odporu pokožky MindDrive (GSR-BFB)

2. PC + aplikační software pro vizualizaci a analýzu signálu

3. Bezdrátová komunikační linka pro přenos řídicích povelů k mobilnímu robotu

4. Mobilní robot

4. Blokové schéma řešení

3

MindDrive GSR

BIOFEEDBACK PC

RS232

VIZUALIZACE

Vysílač 433 MHZ

RS232

Mobilní robot

chod vpřed chod vzad

BIOFEEDBACK

1 2

4

Impedance

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

Mobilní robot

Chod po kružnici

Délka 150cm

Šířka 130cm

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

SENZOR A/D KONVERTOR

1

PROCESOR PERIFERNI VÝSTUP DO

PC 2 3

4

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