Interfejs mózg-komputer

Brain-Computer Interface (BCI) to system umożliwiający sterowanie komputerem bez użycia mięśni.

BrainTech tworzy BCI oparte o elektroencefalogram (EEG)  elektryczny ślad myśli, rejestrowany z powierzchni głowy.

W opisanych poniżej przypadkach daje się z tego śladu odczytać świadome intencje użytkownika, które BCI przetwarza na komendy sterujące komputerem.

JAK DZIAŁA INTERFEJS MÓZG-KOMPUTER?

SSVEP

Czym jest zjawisko SSVEP?

SSVEP (ang. Steady State Visual Evoked Potentials) to wzrokowe potencjały wywołane stanu ustalonego, które pojawiają się w EEG, kiedy użytkownik koncentruje swoją uwagę na bodźcu wzrokowym migającym ze stałą częstością. Podobnie jak w P300-BCI, użytkownik widzi na ekranie szereg elementów, które może wybierać koncentrując uwagę. W odróżnieniu od P300-BCI, wszystkie bodźce (pola) migają jednocześnie, każdy z inną częstością.  Koncentracja uwagi użytkownika na wybranym elemencie powoduje wzrost mocy EEG w częstości odpowiadającej częstości migania elementu, na którym użytkownik koncentrował uwagę.

Dzięki jednoczesnemu wyświetlaniu wszystkich bodźców, SSVEP-BCI to najszybsze z współczesnych interfejsów mózg-komputer. Kłopotem jest niestety samo miganie, które przy niższych częstościach, rzędu kilku-kilkunastu herców (Hz, mignięć na sekundę), jest nieprzyjemne dla oczu jak zepsuta świetlówka, a u osób podatnych na fotoepilepsję może wywołać atak — podobnie, jak migające rytmicznie za oknem pociągu drzewa czy niektóre filmy o Pokemonach.

Tworzone przez BrainTech SSVEP-BCI opierają się w całości na wyższych częstościach, które są dla człowieka niemal niezauważalne i bezpieczne. Jednak do stabilnej i wygodnej generacji takich bodźców nie wystarcza już zwykły monitor. Dlatego opracowaliśmy unikalne w skali świata urządzenie — Blinker, który miganie wybranych pól kontroluje elektronicznie, niezależnie od wyświetlanych na ich tle liter czy symboli.

Na widocznym obok filmie widać działanie wczesnego prototypu „Migacza”, prezentowane na Stoisku Narodowym RP na targach CeBIT 2012. Surowy zapis wideo pozwala ocenić szybkość działania Urządzenia, które okazało się najszybszym BCI na tych targach.

Najnowsza wersja „Migacza” stworzona w BrainTech umożliwia niezależne podświetlanie różnymi częstościami każdego z 320 segmentów 15-calowego monitora, co otwiera niespotykane dotychczas możliwości badania, na jakim obszarze ekranu (filmu, zdjęcia, reklamy…) użytkownik koncentruje uwagę — w odróżnieniu od detekcji kierunku spojrzenia, oferowanej przez okulografy.

JAK DZIAŁA SSVEP?

Korzystanie z komunikatora rozpoczyna trwająca kilka minut sesja kalibracyjna, w której użytkownik proszony jest o skupianie uwagi na konkretnych polach, a system dowiaduje się na jakich elektrodach i dla jakich częstości odpowiedź będzie w danym przypadku najwyraźniejsza. Po ukończeniu kalibracji użytkownik może rozpocząć korzystanie z komunikatora, skupiając uwagę na samodzielnie wybieranych polach, odpowiadających jego intencjom.

POTENCJAŁ WYWOŁANY P300

Do naszych zmysłów dociera ciągły strumień bodźców. Większość z nich ignorujemy, uwagę zwracamy tylko na niektóre. To zjawisko znajduje odzwierciedlenie w sygnale EEG, ale jego ślad jest tak słaby, że dla uzyskania pewności bodziec trzeba zwykle powtarzać kilkakrotnie. Kiedy uśrednimy odpowiedzi na bodziec, który wywoływał silną reakcję, zauważymy dodatnie wychylenie potencjału około 300 ms od prezentacji bodźca (stąd nazwa P300: P od „positive„). Jeśli uśrednimy odpowiedzi na obojętne bodźce, wychylenia nie będzie. W ten sposób można skonstruować na przykład detektor kłamstw.

P300 BCI

Potencjał P300 pojawia się między innymi po rozpoznaniu bodźca oczekiwanego, na którym skupiamy uwagę. Na przykład, jeśli w serii migających się losowo symboli liczymy uważnie wystąpienia jednego z nich, to w odpowiedzi na pojawienie się tego symbolu pojawi się potencjał P300. Na tej podstawie system BCI rozpoznaje intencję użytkownika.

Pojedyncza odpowiedź ginie zwykle wśród śladów innych procesów zachodzących bez przerwy w mózgu. Dlatego dla uzyskania pewności powtarzamy prezentacje, aby uśrednić odpowiedzi związane z wystąpieniem każdego z bodźców.

JAK DZIAŁA INTERFEJS OPARTY O WZROKOWY POTENCJAŁ P300?

Zaczynamy zwykle od trwającej około 5 minut sesji kalibracyjnej,  w której użytkownik proszony jest o skupianie uwagi i liczenie mignięć twarzy Einsteina na konkretnych polach. Dzięki temu system dowiaduje się, na jakich elektrodach i w jakim przedziale czasu odpowiedź będzie najwyraźniejsza.

Następnie możemy rozpocząć korzystanie z komunikatora. Aby wybrać komendę “TAK”, skupiamy uwagę na napisie “TAK” oraz zliczamy pojawienia się twarzy Einsteina na tym napisie. Po wykryciu przez system BCI wystarczająco wyraźnej odpowiedzi na jeden z bodźców, kolor tła wybranej komendy w komunikatorze zmienia się na zielony.

JAK DZIAŁA INTERFEJS OPARTY O SŁUCHOWY POTENCJAŁ P300?

BCI oparty na bodźcach słuchowych działa analogicznie jak wzrokowy P300 BCI. Pojawianie się napisów TAK i NIE zastapione jest bodźcami słuchowymi. Jeżeli użytkownik chce wybrać komendę “Tak”, to skupia swoją uwagę na dźwięku powiązanym z “Tak” oraz zlicza, ile razy dźwięk ten wystąpił. Przykładowe sekwencje dźwięków używanych w słuchowym P300 BCI przedstawiono na schemacie obok.

JAK DZIAŁA INTERFEJS OPARTY O CZUCIOWY POTENCJAŁ P300?

Korzystanie z komunikatora rozpoczyna trwająca kilka minut sesja kalibracyjna, w której użytkownik proszony jest o skupianie uwagi na konkretnych polach, a system dowiaduje się na jakich elektrodach i dla jakich częstości odpowiedź będzie w danym przypadku najwyraźniejsza. Po ukończeniu kalibracji użytkownik może rozpocząć korzystanie z komunikatora, skupiając uwagę na samodzielnie wybieranych polach, odpowiadających jego intencjom.