بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سیستم طراحی شده به عنوان یک سیستم پرتابل براي پردازش سیگنال EEG بر اساس BCI مورد بررسی و توسعه قرار گرفته است. سیستم طراحی شده شامل مجموعه میکروکنترلر و مدارات دیجیتال براي پردازش سیگنال است و به منظور انجام پردازش سیگنال ها، ذخیره سازي و ارتباطات مورد نیاز براي برنامه با یک اسکریپت نرم افزار Matlab مورد استفاده قرار گرفته شده است. براي تولید و طبقه بندي و شناسایی سیگنال DSP از طریق کاربر از مجموعه برنامه هاي ویندوز همراه با نرم افزار Matlab استفاده شده است. در این تحقیق مدار طراحی شده و نتایج پردازش سیگنال و ثبت داده ها مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
مقدمه
واسط مغز و رایانه از مجموعهاي از سنسورها و اجزاي پردازش سیگنال تشکیل شودمی که فعالیت مغزي فرد را مستقیماً به یک سري سیگنالهاي ارتباطی یا کنترلی تبدیل میکند. در این سامانه ابتدا باید امواج مغزي را با استفاده از دستگاههاي ثبت امواج مغزي ثبت کرد که معمولاً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از الکتروانسفالوگرافی براي ثبت امواج مغزي استفاده میشود. الکترودهاي EEG در سطح پوست سر قرار میگیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون ها را اندازه گیري میکنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگیهاي مورد نظر استخراج میشود و از روي این ویژگیها میتوان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد.
در این مقاله سیستم و پیشرفتهایی که تاکنون روي این سامانه صورت گرفتهاست، بررسی شدهاست. از آن جایی که هنوز سرعت و دقت این سیستمها به حد قابل قبولی نرسیده است، هنوز به صورت تجاري وارد بازار نشده است اما از آن جایی که این سیستمها روش نوینی براي برقراري ارتباط، خصوصاً براي افرادي که از نظر جسمی معلول هستند را فراهم میکنند، گروههاي پژوهشی زیادي روي این سامانهها کار میکنند و امید است که در آیندهاي نزدیک بتوان به سامانههایی با سرعت و دقت بالا دست پیدا کرد.
در سال هاي اخیر، تلاش زیادي از گروه هاي تحقیقاتی نسبت به توسعه رابط مغز-کامپیوتر - BCI - به منظور ارائه راه حل براي برخی از بیماري ها، مانند از - ALS - و تتراپلژي، راهی براي برقراري ارتباط متمرکز و یا کمک به افزایش استقلال خود را انجام دادند. تحولات سیستم BCI با استفاده از یک کامپیوتر شخصی براي پردازش سیگنال هاي EEG و تولید خروجی طبقه بندي شده به کاربر است. این سیستم به روش هاي مختلف، از جمله در صفحه کلید مجازي استفاده می شود، به کاربر اجازه می دهد تا با یک کامپیوتر صندلی چرخ دار را کنترل نماید حتی اگر کاربر قادر نباشد تا عضلات خود را حرکت دهد. سیستم BCI نصب شده در ویلچر به طور معمول بیشتر کامپیوترهاي لپ تاپ است.
یک روش جدید براي کنترل رابط که در آن محققان با ارائه یک سیستم قادر به شناسایی و تحرك مربوط ریتم حسی و ارتباط آنها با گروه شاهد از هلیکوپتر مجازي، با نتایج امیدوار کننده با استفاده از یک سیستم 64 کاناله شده بودند. در یک سري از سیستم هاي طراحی شده براي به دست آوردن اطلاعات مغز و پردازش سیگنال EEG روش هاي مختلف ارائه شده است.که برخی از آنها با استفاده از یک رویکرد مبتنی بر PC و دیگري استفاده از یک رویکرد متمرکز مانند CPLDs یا DSP ها، اجازه می دهد تا براي ایجاد یک سیستم مجتمع و کم توان اقدامات لازم صورت پذیرد.
نوع دیگري از طراحی، معمولا دستگاه هاي بیوفیدبک با استفاده از باند آلفا EEG جهت شناسایی ویژگی هایی مانند تمرکز در یک سري از دستگاه هاي تجاري، گسترش دستگاه هاي سورس باز مانند EEG باز موجود است EEG باز سخت افزار منبع و نرم افزار سورس باز با هدف طراحی یک ابزار ضبط EEG مقرون به صرفه تر است. یکی دیگر از دستگاه هاي قابل حمل به عنوان دستگاه بیوفیدبک در مقاله ذکر شده مورد استفاده قرار می گیرد براي کنترل بازي تیراندازي با کمان، با استفاده از وضعیت تمرکز بازیکن معرفی شده اند.
یکی از طرح هاي ارائه شده همچنین به عنوان یک دستگاه بیو فیدبک با واحد پردازش از راه دور بی سیم به برد اصلی که تنها پردازشگر براي دریافت و ارسال آن به واحد پردازش اصلی استفاده می شود. این سیستم به عنوان یک ابزار براي تست الگوریتم متنوع جهت شناسایی خواب آلودگی، بر اساس طیف توان EEG مورد استفاده قرار می گیرد. سیستم شرح داده شده در این مقاله ارائه یک روش کم توان براي سیستم BCI قابل حمل است که می تواند با انواع دستگاه هاي مانند صندلی چرخ دار، رایانه هاي شخصی و هر دستگاه دیگري که در نظر گرفته شده براي برقراري ارتباط مورد استفاده قرار گیرد.
روش سخت افزار
روش اولیه براي این کار به منظور توسعه یک سیستم مدولار جهت دریافت، فرآیند، ذخیره سیگنال EEG و ارسال داده هاي طبقه بندي استخراج شده از سیگنال به دستگاه دیگر، مانند یک کامپیوتر یا یک صندلی چرخدار بود. مدار برد اصلی توسعه یافته در این کار می تواند در شکل - 1 - مشاهده نمود .
شکل - - 1 مدار برد اصلی طراحی شده
توسعه سیستم در نظر گرفته شده براي ایجاد یک سیستم کوچک، قابل حمل، با توان مصرفی کم و با اتصال هاي مختلف USBسیمی و بی سیم Bluetooth به منظور برقراري ارتباط با دستگاه هاي مختلف است. یکی دیگر از مزایاي سیستم که می توان آن را قادر به ذخیره داده ها در یک کارت حافظه براي پردازش خارج از خط و تجزیه و تحلیل آن می باشد سیستم اولیه به عنوان مجموعه اي از ماژول ها براي پیاده سازي توابع مختلف از سیستم طراحی شده است طراحی مدولار با انعطاف پذیري بالا جهت دریافت داده ها و پردازش و ذخیره سازي داده ها در شکل - - نشان داده شده است. سیستم با برد تقویت کننده EEG و برد پردازش اطلاعات در شکل نمایش داده شده است.
شکل - - 2 مدار پردازنده و تغدیه و ارتباط جانبی
مدار تقویت کننده
مدار تقویت کننده به عنوان مجموعه اي از ماژول هاي تقویت کننده متصل به برد اصلی است که سیگنال دریافتی از الکترودها را تقویت کرده و به مدار پردازش ارسال می کند. این مدار اصلی داراي منبع تغذیه کنترل شده مطابق شکل - 2 - می باشد و تغذیه ماژول تقویت سیگنال را هم فراهم می کند. شکل - 1 - سیستم کامل که در آن مدار تقویت و ماژول هاي تقویت دیده می شود نشان می دهد. شکل - 2 - نشان دهنده یک بلوك دیاگرام از سیستم که در آن ساختار سیستم را می توان با جزئیات کامل مشاهده شده است.
شکل - - 3 بلوك دیاگرام مراحل تقویت سیگنال و ذخیره در کارت SD
برد مدار اصلی تنها داراي منبع تغذیه و کانکتور متصل به آمپلی فایر، الکترود و مدار پردازنده می باشد. از سوي دیگر، ماژول هاي تکثیر داراي طراحی پیچیده تر می باشد به عنوان نمونه این ماژول داراي دو کانال تقویت کننده افزایشی EEG با قابلیت تنظیم در هر یک از کانال ها است. بهره ي تقویت کننده می تواند با استفاده از جامپر واقع در لبه بالایی مدار پیکربندي می شود.
ورودي از مدار تقویت کننده توسط یک تقویت کننده ابزار دقیق با توان کم طراحی شده است براي تقویت کننده هاي فیزیولوژیکی مانند تقویت کننده EEG راه اندازي می شود. مدار اصلی نیز با یک تقویت کننده ثانویه و فیلترهاي فعال پایین گذر به جاي سیگنال باند پایین از 0,1 تا 38 هرتز براي نمونه برداري از سیگنال در مدار پردازش بکار گرفته شده است. تعداد کل کانال هاي سیستم 8 تا است، اما سیستم را می توان با کمتر از 4 ماژول آمپلی فایر پیکربندي کرد. انعطاف پذیري اضافی در تنظیمات سیستم وجود دارد.
