Tomáš Štula

1. VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra měřicí a řídicí techniky VYUŽITÍ EEG A BFBPRO NÁVRH A REALIZACI ROZHRANÍ ČLOVĚK-STROJ Tomáš Štula Wofex 2003

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

3. 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.

4. alfa beta theta delta 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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.

10. 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)

11. Schéma BFB pracoviště

12. 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

13. 4. Blokové schéma řešení

14. 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

15. Plocha pohybu mobilního robota

16. 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

17. 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

18. Ukázka zařízení

19. 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

20. 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

21. 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

22. Robot – mechanická část

23. Robot – elektronická část

24. 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