بخشی از مقاله
کنترل احساسات بر روی ویلچر هوشمند از طریق BCI
چکیده
در این مقاله سیستم کنترل حالت احساسی فرد از طریق ارتباط بین مغز و کامپیوتر((BCI با ویلچـر هوشـمند مـورد بررسـی قرار گرفته است. سیستم کنترل BCI امکان انتخاب دستور برای چهار حالت، راست، چپ، جلو و عقب را برای درایور هوشـمند ویلچر فراهم می کند هنگامی که یک دستور انتخاب می شود در همان زمان حالت احساسی کاربر از طریق مانیتورینگ بـر روی صفحه نمایش نشان داده می شود در صورتی که کاربر از انتخاب دستور رضایت داشته باشد سیستم کنترل دسـتور را اجـرا مـی کند و در صورتی که کاربر از حالت انتخاب شده رضایت نداشته باشد سیستم متوقف خواهد شد و از کـاربر مـی خواهـد دسـتور دیگری را انتخاب کند. سیستم BCI این امکان را می دهد تا به کمک سیگنال های مغـزی بتـوان یـک افـزاره ماننـد صـندلی چرخدار را کنترل کرد. هدف از انجام این پروژه توسعه یک سیستم BCI بر اساس حالت احساسی فرد بـرای کنتـرل جهـت در صندلی چرخدار است. تا با این روش برای بیماران ضایعه نخایی امکان تصمیم گیری و انتخاب دستور را فراهم نمود.
کلمات کلیدی: ویلچر هوشمند، ارتباط بین مغز و کامپیوتر، کنترل احساسات
1
مقدمه
ویلچر های برقی به طور گسترده ای برای کمک رسانی به معلولان استفاده می شود و هر روز مردم در حـال حرکـت در اطـراف محیط خود مشاهده می کنند. با این حال، بسیاری از آنها با مشکلات مربوط به هدایت صندلی چرخ دار به ویژه در مکـان هـای تنگ مواجه هستند برای غلبه بر این مشکل، چند روش برای کمک به مـردم در پیشـنهاد شـده اسـت. رابـط کـامپیوتر و مغـز (BCIs) یکی از این تکنیک هایی است که کاربران به کمک کنترل آن، صندلی چرخ دار خود را با امواج سـیگنال هـای مغـزی کنترل می کنند. با این حال، این تکنیک نیاز به تمرکز همیشگی کاربر دارد.[1]
فعالیت مغز سیگنال های الکتریکی تولید می کند که از روی پوست سر، قشر یا درون مغز قابل تشـخیص هسـتند. رابـط هـای مغز کامپیوتر (BCI) این سیگنال ها را به خروجی هایی تبدیل می کنند که کـاربران را قـادر سـازد بـدون دخالـت عضـلات و اعصاب جانبی به برقراری ارتباط بپردازند. مشاهدات نشان داده اند که BCI می توانـد بـرای افـرادی بـا آسـیب هـای حرکتـی خفیف تر یا حتی افرادی که فاقد چنین آسیب هایی هستند نیز مفید باشد. سیگنال های مغز توسط الکترودهـایی کـه بـر روی پوست سر قرار دارند جمع آوری و پردازش می شوند تا ویژگی های سیگنالی خاص که نشان دهنده مقاصد کـاربر اسـت از آنهـا استخراج شوند. این ویژگی ها به دستورالعمل هایی برای کار با دستگاه ترجمه می شوند. کاربران باید رابطه مناسبی میان قصـد خود و ویژگی های سیگنال BCI برقرار و آن را حفظ کننـد BCI .نیـز بایـد ویژگـی هـای تحـت کنتـرل کـاربر را انتخـاب و استخراج و آنها را به دستورالعمل های کار با دستگاه ترجمه کند.[2]
واسط مغز و رایانه از مجموعه ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل میشود که فعالیت مغـزی فـرد را مسـتقیماً بـه یک سری سیگنال های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می کند. در این تحقیق ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاههای ثبـت امواج مغزی ثبت کرد که معموﻻً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین اسـتفاده آسـان، از الکتروانسـفالوگرافی بـرای ثبت امواج مغزی استفاده میشـود. الکترودهـای EEG در سـطح پوسـت سـر قـرار مـیگیرنـد و میـدان الکتریکـی حاصـل از فعالیت نورون ها را اندازه گیری می کنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگیهـای مـوردنظر اسـتخراج مـیشـود و از روی این ویژگیها میتوان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. استفاده از سیگنال های EEG به عنـوان ابـزاری در سیستم رابط بین انسان و ماشین، یک مساله چالش برانگیز در مبحث پـردازش سـیگنال اسـت، اسـاس یـک چنـین سیسـتم ارتباطی که به عنوان رابط مغزBکامپیوتریا BCI شناخته می شود، تفسیر سیگنال های EEG ای است کـه از فعالیـت هـای الکتریکی مغز به وجود می آیند و ثبت می شوند. بنابراین نقش پردازش سیگنال در یک سیستم مغـزBکـامپیوتر توسـعه یـک رابط مغزBکامپیوتر زمان حقیقی بسیار مهم است. سیستمهای ارتباطی مغز با کامپیوتر، بر مبنای سیگنالهای مغزی عمل می-کنند. اساس سیستمهای BCI بر پایه تغییر سیگنال های مغزی در هنگام انجام فعالیتهـای ذهنـی اسـت کـه بـه روشهـای متفاوتی از جمله الکتروانسفالوگرافی قابل ثبت است.[3] بررسی سیگنالهای مغـزی در حـین فعالیـت هـای ذهنـی متفـاوت و طبقه بندی آنها، امکان انجام فرآیندهای کنترلی متفاوتی را در ازای هر فعالیت میسر میسـازد. از سـوی دیگـر، احساسـات راه های ارتباطی مهم با کاربران است. مطالعات اخیر روش جدید حالت احساسی کاربر برای بـه رسـمیت شـناختن سـیگنال هـای امواج مغزی پیشنهاد کرده است که از این روش جهت اندازه گیری سیگنال ها استفاده شده است. ما یک سیستم کنترلـیBCI برای راه اندازی ویلچر هوشمند پیشنهاد دادیم سیستم BCI پیشنهادی اجازه می دهد تا کاربر یکی از چهـار دسـتور را جهـت هدایت ویلچر هوشمند انتخاب کند که شامل حرکت به جلو و حرکت به عقب ، گردش به راست و گردش به چپ.
هنگامی که دستور انتخاب شد بدون نیاز به کاربر تمرکز روی محرک خارجی ایجاد خواهد شد سیستم کنترل اجـرای دسـتور را انتخاب و در همان لحظه حالت احساسی کاربر را مانیتور می کند در حالی که کاربر راضی است دسـتور انتخـاب شـده در حـال اجراست و هنگامی که کاربر ناراضی است سیستم کنترل ویلچر هوشمند متوقف خواهد شد لذا کـاربر دسـتور دیگـر را انتخـاب خواهد کرد.[5]
سیستم BCI
2
نرم افزارهای ار تباط و کنترل، فرایندهایی تعاملی هستند که برای حفـظ کـارایی مناسـب و اصـلاح خطاهـا بـه نظـارت مسـتمر کاربران نیاز دارند. به همین دلیلBCI ها به طور بلادرنگ اجرا می شوند و به کاربران نیز به طور بلادرنگ بـازخورد مـی دهنـد. با وجودی که بسیاری از مطالعات اولیه این نیاز را برآورده می کرد، مطالعات جدیدتر اغلـب بـر تجزیـه و تحلیـل آف لایـن داده های ضبط شده مبتنی بود. به عنوان مثل لوت و همکارانش در ارزیابی الگوریتم های طبقه بندی سیگنال دریافتند که اکثر آنها از تجزیه و تحلیل آف لاین استفاده می کننددر. واقع احتمالاً بخشی از محبوبیت فعلی تحقیقات BCI به دلیل سادگی تجزیـه و تحلیل آف لاین بر روی مجموعه داده های در دسترس عموم است. با وجودی که ممکن است مطالعات آف لاین به تحقیقـات آنلاین واقعی کمک کنند، اما هیچ تضمینی وجود ندارد که نتایج آف لاین به کارکرد آن لاین هم قابل تعمـیم باشـند. سـیگنال های مغزی کاربران اغلب تحت تأثیر خروجی BCI قرار می گیرند که آن نیز خود توسط الگـوریتم مـورد اسـتفاده تعیـین مـی شود.[6] بنابراین پیش بینی دقیق نتایج با استفاده از تحلیل های آف لاینی که این اثرات را به حساب نمی آورد ممکن نیست.
شکل((1 سیستم مورد مطالعه
واحد دریافت سیگنال متشکل از الکترود و واحد پردازش سیگنال است الکترود ها روی پوست سر توزیع شده اند و بـر اسـاس یک سیستم بین المللی به طور معنی دار می توانند سیگنال را دریافت کنند واحـد پـردازش سـیگنال شـامل تقویـت سـیگنال حذف نویز و فیلتر سیگنال های دریافتی می باشد. واحد تجزیه و تحلیل سیگنال ویزگی های استخراج شده از سـیگنال ورودی را به طبقات مجزا بر اساس ویژگی های استخراج شده کلاس بندی می کند. طیـف وسـیعی از ویژگـی هـای اسـتخراج شـده و روش های طبقه بندی مورد استفاده در این تحقیق پیشنهاد شده است. واحد عمـل سـیگنال هـای طبقـه بنـدی شـده را بـه سیگنال کنترل گسسته تدیل می کند که می تواند برای کنترل کاربرد های خارجی و بـازخورد بـه کـاربر مـورد اسـتفاده قـرار گیرد.
سیستم کنترل احساسی BCI
در این بخش جزئیات سیستم کنترل احساسی توصیف شده است شرح کلی سیستم پیشنهادی مطـابق شـکل (2) نشـان داده شده است.
3
شکل((2 ساختار سیستم پیشنهادی
واحد دریافت سیگنال
واحد دریافت سیگنال مورد استفاده در این سیستم ازیکنوع هد ست استفاده شده اسـت کـه دارای 14 الکتـرود مـی باشـد کـه بیش از 10الی20 موقیعیت اسـتاندارد بـین المللـی AF3,F7,F3,FC5,T7,P7,O1,O2,P8,T8,FC6,F4,F8 و AF4 بـا استفاده از دو الکترود مرجع در شکل((1 نشان داده شده است. چیدمان هدست، فیلتر باند گـذر و سـیگنال دیجیتـالی در 128 هرتز و انتقال بی سیم به ویندوز کامپیوتر است.
شکل((3 محل قرار گیری الکترود ها
4
شکل((4 واحد دریافت سیگنال
واحد پردازش سیگنال مورد استفاده در سیستم ما Emotive است که بر روی کامپیوتر نصب و در معـرض نتـایج تشـخیص و برنامه های کاربردی ازطریق این نرم افزار برنامه نویسی شده و ارتباط سریال جانبی داده ها ارسـال مـی شـود اطلاعـات ارسـال شده در سه پنل نمـایش داده مـی شـود پنـل Expressive و پنـل Affectiveو پنـل Cognitive اسـت در ایـن تحقیـق Affective وCognitive استفاده شده است. وچگونگی استفاده از این مباحث در ادامه بیان شده است.
شکل((5 واحد پردازش پردازش و آنالیز سیگنال
Affective پنل گزارش تغییرات زمان واقعی در عواطف ذهنی تجربه شده توسط کاربر نشـان مـی دهـد تشـخیص احساسـی برای جستجوی ویژگی های امواج مغزی که به صورت یونیورسال ماهیت طبیعی دارند و نیازی بـه آشکارسـازی ندارنـد بـا ایـن حال به منظور بهبود تشخیص احساسی داده های فردی برای هر کاربر جمع آوری شده است و در پروفایل منحصر به فرد کاربر ذخیره می شود در حالی که پنل Affective در حال اجراست. رابط انطباقی می تواند تعامل نظارتی کاربر، خستگی و هیجـان و سرخوردگی ، میزان تمرکز در زمان واقعی را نمایش دهد. پنل Cognitiv زمان واقعی کاربر را جهـت ارزیـابی امـواج مغـزی برای تشخیص آگاهانه کاربر انجام می دهد تا کاربر اقدامات فیزیکی مشخص در یـک شـی واقعـی و یـا مجـازی را انجـام دهـد. شناسایی 13 اقدام متنوع: شش حرکت جهت دار فشار، کشش، چپ، راست، بالا، پـایین و شـش چـرخش: جهـت عقربـه هـای ساعت، پاد جهت عقربه های ساعت،چپ، راست، جلو وعقب و با اضافه یک اقدام اضافی که تنها در حوزه کـاربر وجـود دارد و آن تخیل است.
واحد عمل
واحد عمل حالت تولید شده توسط پردازش سیگنال و تولید سیگنال های کنترل مناسب است سیستم پیشـنهادی شـامل دو حالت است حالت ناامیدی و حالت بدون نا امیدی که در شکل (6) نشان داده شده است.
