Основы построения вербально-командного нейроинтерфейса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы построения вербально-командного нейроинтерфейса

В статье рассматривается новый способ построения нейроинтерфейса - вербально-командный. Для выделения вызванной активности предложена структура устройства на основе самонастраивающегося полосового фильтра, настройка которого осуществляется после измерения периода колебаний в его выходном сигнале.

Нейроинтерфейс (ИМК) представляет собой аппаратно-программный комплекс, предназначенный для регистрации и обработки в реальном времени биоэлектрической активности головного мозга - электроэнцефалограммы (ЭЭГ), с целью выявления каким-либо способом мысленного намерения человека и преобразования его в некую команду (систему команд) для управления внешними устройствами или коммуникации.

Различают зависимые и независимые ИМК. Первые используют внешнюю стимуляцию для формирования команд. Например, в поле зрения оператора располагаются источники света, мигающие с разной частотой. Если человек фиксирует взгляд на одном из источников, то в ЭЭГ появляется составляющая с конкретной частотой (реакция усвоения ритма), и можно выделить определенную, заранее обусловленную команду. Недостаток способа очевиден - наличие дополнительного устройства, низкое быстродействие, разрыв визуального контакта с окружающей средой, индивидуальные ограничения, применимость только в стационарных условиях.

Независимый ИМК использует в качестве стимулов заранее оговоренные мысленно представляемые ситуации, приводящие к характерным изменениям паттерна ЭЭГ. Отмечалось в таком случае появление дополнительных составляющих в спектре сигналов [2]. Понятно, мысленное переживание приятных и негативных личных или воображаемых событий требует определенной умственной дисциплины, длительных тренировок и не всегда будет достаточно оперативным. Эффективность способа может ослабевать в зависимости от привыкания или внешних условий.

Как видно из рассмотренных вариантов ИМК, математическое обеспечение для их реализации требует применения спектральных преобразований, статистических и логических операций, т.е. в чистом виде математического моделирования не применяется. Основой модели является самонастраивающееся динамическое звено второго порядка - консервативное либо полосовой фильтр (ПФ).

Трудности выделения намерения человека из сигнала ЭЭГ (с тем, чтобы его преобразовать в команду для внешнего устройства ИМК) состоят прежде всего в том, что когнитивные процессы как электрические сигналы головного мозга по амплитуде значительно (в 10-15 раз) меньше фоновой биоэлектрической активности.

Для выделения когнитивных вызванных потенциалов (КВП) испытуемому многократно подаются одинаковые тональные звуковые стимулы, среди которых по случайному закону появляются сигналы другой частоты. Отрезки ЭЭГ, соответствующие этим событиям, суммируются, в результате чего фиксируются событийно-связанные вызванные потенциалы.

Нам представляется, что использование КВП может обеспечить повышение быстродействия и надежности ИМК - при условии выделения единичного ответа центральной нервной системы (ЦНС) на событие.

Для устройства ИМК предлагается периодометрический способ [4] настройки ПФ, модифицированный для работы в реальном времени. Основан он на том факте, что с определенной точностью ПФ может считаться линейной системой, и частота синусоидального входного сигнала останется такой же и на выходе. Измерение периодов времени между максимумами (минимумами) выходного сигнала, между моментами перехода сигнала через нулевой уровень позволяет вычислить частоту доминирующего ритма и скачкообразно переключить частоту настройки.

На таком принципе можно построить альтернативный регулятор резонансной частоты ПФ, который не будет использовать зашумленный входной сигнал и повысит помехоустойчивость процесса настройки.

При работе ИМК режим отсутствия доминирующего ритма становится основным режимом работы, поскольку при открытых глазах происходит редукция альфа-ритма, тем более что есть довольно высокий процент людей (до 10 - 20%), у которых его нет вообще. В таком случае выделению когнитивного ответа препятствуют другие ритмы. Поскольку предлагаемый регулятор не требует фиксации моментов перехода наблюдаемых колебаний через нулевое значение, первоначально резонансную частоту ПФ можно установить приблизительно. Также можно предусмотреть систему фильтров - по числу выявленных пиков в спектре пациента. Предварительная настройка ИМК под конкретного пациента будет состоять в определении количества ПФ и выборе диапазонов их перенастройки.

В работе [1] высказывается положение, что максимум вызванной активности соответствует прохождению сигнала через определенную нервную структуру (центр). В работе [3] предлагается способ нахождения максимума КВП и приведены результаты расчетов его координат. Главным результатом следует считать обнаруженные отличия траекторий максимума КВП при мысленном произнесении двух слов - «красный» и «зеленый». Таким образом, удалось вместо раздельного анализа сигналов во всех отведениях перейти к анализу одной величины - положения максимума вызванной активности. Это представляется неким методологическим достижением, открывающим новый путь в построении ИМК.

Другой вывод из полученных результатов состоит в том, что при настройке ИМК можно найти для конкретного человека некое слово, траектория которого будет наиболее узнаваемой. В таком случае алгоритм анализа ЭЭГ может предусматривать «дежурный режим» поиска именно этого слова. Такой способ построения нейроинтерфейса можно назвать вербально-командным. Команды для внешних устройств будут формироваться не внешней стимуляцией и не мысленным представлением оговоренных ситуаций, а произнесением командного слова. При этом запуск процесса различения команды будет запускаться после выявления ключевого слова. То есть оператор будет мысленно говорить, например: «Зеленый, назад!», «Зеленый, влево!».

Точность распознавания ключевого слова требует дополнительных исследований в части уточнения структуры устройства выделения вызванной активности.

биоэлектрический мозг вербальный

Список литературы

1. Анохин П.К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса / П.К. Анохин - М.: Медицина, 1968. - 549 с.

2. Кореневский Н.А. Автоматический анализ электрофизиологических сигналов / Н.А. Кореневский, В.В. Губанов // Медицинская техника. - 1995. - № 1. - С. 36-39.

3. Способ локализации доминанты вызванной активности головного мозга / М.В. Хрячков, Д.И. Данилов, С.Ю. Шепелев и др. // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: материалы VII Всерос. науч. конф. для молодых ученых. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2018. - С. 12-15.

4. Электроэнцефалографические корреляты мысленного переживания эмоциональных личных и сценических ситуаций / С.Г. Данько, Н.П. Бехтерева, Н.В. Шемякина, Л.В. Антонова // Физиология человека. - 2003. - Т. 29. - № 3. - С. 5-15.

Размещено на Allbest.ru