ماهان صدیقی
یاسمن عیدی
استاد: دکتر علی آچاک
نیمسال اول ۱۴۰۳
رابط مغز و کامپیوتر یا Brain Computer Interface (BCI) یک سیستم ارتباطی پیشرفته است که امکان برقراری ارتباط مستقیم بین مغز انسان و دستگاههای الکترونیکی را فراهم میکند.
این فناوری با ثبت و تحلیل سیگنالهای الکتریکی مغز، نیت و خواسته کاربر را تشخیص داده و بدون نیاز به حرکت فیزیکی عضلات، فرمانهای کنترلی را به دستگاههای خارجی ارسال میکند.
هدف اصلی این سیستم، افزایش استقلال حرکتی افراد دارای ناتوانی و کاهش وابستگی آنها به کمک دیگران است.
خواندن ذهن
ثبت فعالیت مغزی
پردازش
تحلیل سیگنالها
کنترل
هدایت ویلچر
میلیونها نفر در سراسر جهان به دلیل آسیب نخاعی، سکته مغزی یا بیماریهای تحلیلبرنده عصبی مانند ALS توانایی حرکت اندامهای خود را از دست دادهاند.
این افراد اغلب نمیتوانند از روشهای معمول کنترل ویلچر مانند جویاستیک استفاده کنند. برای آنها، حتی سادهترین فعالیتهای روزمره مانند جابجایی در خانه به کمک دیگران نیاز دارد.
سیستم BCI میتواند با استفاده از قدرت ذهن، استقلال این افراد را بازگرداند.
+۵ میلیون نفر
مبتلا به فلج حرکتی در جهان
BCI سیستمی است که سیگنالهای الکتریکی مغز را ثبت کرده، آنها را پردازش و تحلیل میکند و در نهایت به فرمانهای قابل فهم برای ماشین تبدیل میکند.
این فرآیند کاملاً بدون نیاز به استفاده از عضلات انجام میشود و مسیر عصبی جدیدی برای ارتباط با دنیای خارج ایجاد میکند.
ثبت
EEG
پردازش
فیلتر
استخراج
ویژگی
طبقهبندی
ML
کنترل
موتور
EEG یک روش غیرتهاجمی برای ثبت فعالیت الکتریکی مغز است. در این روش، الکترودهایی روی پوست سر قرار میگیرند و سیگنالهای میکروولتی تولید شده توسط نورونها را اندازهگیری میکنند.
این سیگنالها نشاندهنده فعالیت همزمان میلیونها نورون در قشر مغز هستند.
محدودیت: سیگنال EEG بسیار ضعیف (چند میکروولت) است و به راحتی تحت تأثیر نویز قرار میگیرد.
سیگنال EEG از ترکیب امواج با فرکانسهای مختلف تشکیل شده است. هر باند فرکانسی نشاندهنده وضعیت خاصی از مغز است:
Delta (δ)
0.5-4 Hz
خواب عمیق، بیهوشی
Theta (θ)
4-8 Hz
خواب سبک، مدیتیشن، خلاقیت
Alpha (α)
8-13 Hz
آرامش با چشمان بسته، استراحت ذهنی
Beta (β)
13-30 Hz
تمرکز، فکر کردن، فعالیت ذهنی
Gamma (γ)
30-100 Hz
پردازش شناختی بالا، ادراک
نکته مهم: در سیستمهای BCI مبتنی بر تصور حرکت، تغییرات در باندهای Mu (8-12 Hz) و Beta (18-26 Hz) بیشترین اهمیت را دارند.
تصور حرکت یکی از پرکاربردترین روشها در سیستمهای BCI است. در این روش، کاربر تنها به حرکت یک اندام فکر میکند بدون اینکه حرکت واقعی انجام دهد.
جالب است بدانید که تصور حرکت و حرکت واقعی، الگوهای مغزی مشابهی ایجاد میکنند! این پدیده به نام Event-Related Desynchronization (ERD) شناخته میشود.
با تحلیل این الگوها، سیستم میتواند تشخیص دهد کاربر به حرکت کدام اندام فکر کرده است.
چرخش چپ
تصور دست چپ
فعالسازی نیمکره راست
حرکت جلو
تصور پاها
فعالسازی ناحیه مرکزی
چرخش راست
تصور دست راست
فعالسازی نیمکره چپ
ماژول ثبت سیگنال
کلاه EEG با الکترودهای خشک یا تر برای ثبت سیگنالهای مغزی از نواحی حرکتی (C3, Cz, C4)
پیشپردازش
حذف نویز، فیلتر میانگذر (8-30 Hz)، حذف آرتیفکتهای چشم و عضله
استخراج ویژگی
محاسبه توان باندهای فرکانسی، CSP، آنتروپی و سایر ویژگیهای زمانی-فرکانسی
طبقهبندی
الگوریتمهای یادگیری ماشین مانند LDA، SVM یا شبکههای عصبی برای تشخیص نیت کاربر
کنترلکننده
تبدیل خروجی طبقهبند به فرمانهای موتوری و ارسال به درایورهای ویلچر
سیستم ایمنی
حسگرهای فاصله، دوربین و توقف اضطراری برای جلوگیری از تصادف
قلب سیستم BCI، الگوریتمهای یادگیری ماشین هستند که سیگنالهای مغزی را به فرمان تبدیل میکنند. این الگوریتمها باید با دادههای آموزشی هر کاربر تنظیم شوند.
LDA
Linear Discriminant Analysis
SVM
Support Vector Machine
Deep Learning
شبکههای عصبی عمیق
سیستم کنترل با زبان یک فناوری نوین و منحصر به فرد است که به افراد دارای ناتوانی شدید حرکتی اجازه میدهد با استفاده از حرکات زبان، دستگاههای مختلف را کنترل کنند.
چرا زبان؟ زبان یکی از قویترین و چابکترین عضلات بدن است که حتی در آسیبهای شدید نخاعی (سطح C1-C4) فعال باقی میماند، زیرا توسط عصب جمجمهای کنترل میشود، نه نخاع.
این سیستم توسط محققان Georgia Tech توسعه یافته و در مطالعات بالینی متعدد آزمایش شده است.
اجزای سیستم
کاربردها
نصب آهنربا
یک آهنربای بسیار کوچک (به اندازه یک دانه عدس) با استفاده از پیرسینگ زبان یا چسب پزشکی روی زبان نصب میشود. این آهنربا کاملاً بیضرر است.
ردیابی موقعیت
حسگرهای مغناطیسی در یک ریتینر دندانی یا هدست قرار دارند. این حسگرها موقعیت آهنربا و در نتیجه موقعیت زبان را با دقت بالا ردیابی میکنند.
پردازش سیگنال
سیگنالهای حسگرها به صورت بیسیم به گوشی هوشمند یا کامپیوتر ارسال میشوند. الگوریتمهای هوشمند حرکات زبان را تشخیص میدهند.
تولید فرمان
هر حرکت زبان (لمس نقاط مختلف دهان) به یک فرمان خاص ترجمه میشود. کاربر میتواند تا ۶ فرمان مختلف را همزمان کنترل کند.
با لمس نقاط مختلف داخل دهان توسط نوک زبان، فرمانهای مختلفی صادر میشود:
سقف دهان
جلو
کف دهان
توقف
گونه چپ
چپ
گونه راست
راست
نکته: کاربر میتواند فرمانهای سفارشی تعریف کند. مثلاً لمس دندانهای خاص برای تغییر سرعت یا فعال کردن حالتهای مختلف.
استقلال کامل
زبان حتی در شدیدترین آسیبهای نخاعی (C1-C4) که دست و پا کاملاً فلج هستند، فعال باقی میماند. این یعنی تقریباً همه بیماران میتوانند از TDS استفاده کنند.
سرعت فوقالعاده
تأخیر پاسخ کمتر از ۵۰ میلیثانیه! این سرعت ۵ تا ۱۰ برابر سریعتر از سیستمهای BCI است. کاربر احساس کنترل آنی دارد.
دقت ۹۹٪
در مطالعات بالینی، TDS دقت تشخیص بالای ۹۹٪ را نشان داده است. این دقت بسیار بالاتر از BCI (حدود ۸۵٪) است.
بدون خستگی ذهنی
برخلاف BCI که نیاز به تمرکز شدید دارد، استفاده از TDS کاملاً طبیعی و بدون فشار ذهنی است. کاربر میتواند ساعتها بدون خستگی استفاده کند.
نامحسوس
ریتینر دندانی کاملاً داخل دهان است و دیده نمیشود. این موضوع از نظر روانشناختی برای بسیاری از کاربران مهم است.
آموزش سریع
تنها ۳۰ دقیقه آموزش کافیست! مقایسه کنید با BCI که ۲ تا ۴ هفته آموزش نیاز دارد.
| ویژگی | BCI رابط مغز و کامپیوتر | TDS کنترل با زبان |
|---|---|---|
| دقت تشخیص | ۸۵-۹۰٪ | ۹۵-۹۹٪ |
| زمان آموزش | ۲-۴ هفته | ۳۰ دقیقه |
| تأخیر پاسخ | ۱۰۰-۵۰۰ms | <۵۰ms |
| خستگی کاربر | زیاد | کم |
| نیاز به الکترود سر | بله | خیر |
| قیمت تجهیزات | بالا ($۱۰۰۰+) | متوسط ($۵۰۰) |
| مناسب برای فلج کامل | بله | نیاز به کنترل زبان |
| تحقیقات علمی | گستردهتر | در حال توسعه |
نتیجه: انتخاب بین BCI و TDS به شرایط بیمار بستگی دارد. برای افرادی که زبان فعال دارند، TDS گزینه سریعتر و دقیقتری است.
۹۹٪
دقت TDS در آزمایشات
۳۰
دقیقه آموزش TDS
۱۰۰+
مطالعه بالینی BCI
نویز سیگنال
BCIسیگنال EEG بسیار ضعیف است و به راحتی تحت تأثیر نویز محیطی، حرکت چشم و فعالیت عضلات قرار میگیرد.
خستگی ذهنی
BCIاستفاده طولانی از BCI نیاز به تمرکز زیاد دارد و باعث خستگی میشود. این موضوع کاربرد عملی را محدود میکند.
نیاز به آموزش
هر دوهر دو سیستم نیاز به دوره آموزشی دارند، اگرچه TDS بسیار سریعتر قابل یادگیری است.
هزینه تجهیزات
هر دوتجهیزات با کیفیت بالا هنوز گران هستند و دسترسی عمومی را محدود میکند.
پذیرش اجتماعی
BCIبرخی کاربران از پوشیدن کلاه EEG در محیط عمومی خودداری میکنند.
نگهداری
TDSسیستم TDS نیاز به نگهداری و تمیز کردن منظم دارد.
با پیشرفت سریع هوش مصنوعی، حسگرها و فناوریهای پوشیدنی، انتظار میرود این سیستمها در آینده نزدیک به محصولات تجاری قابل دسترس تبدیل شوند.
هوش مصنوعی پیشرفته
الگوریتمهای یادگیری عمیق میتوانند دقت را به بیش از ۹۵٪ برسانند و نیاز به کالیبراسیون را کاهش دهند.
یکپارچگی با گوشی
کنترل مستقیم ویلچر از طریق اپلیکیشن گوشی هوشمند و اتصال به اکوسیستم خانه هوشمند.
کاهش هزینه
تولید انبوه و رقابت بازار میتواند قیمتها را به زیر ۲۰۰ دلار کاهش دهد.
سیستم رابط مغز و کامپیوتر (BCI) و سیستم کنترل با زبان (TDS) هر دو فناوریهای امیدوارکننده در حوزه توانبخشی هستند.
BCI برای افرادی که کنترل هیچ عضوی ندارند مناسبتر است، زیرا فقط به فعالیت مغزی نیاز دارد.
TDS برای کسانی که زبان فعال دارند، گزینه سریعتر، دقیقتر و راحتتر است.
آینده این فناوریها روشن است و میتوانند استقلال و کیفیت زندگی میلیونها نفر را در سراسر جهان بهبود بخشند.
ماهان صدیقی
پژوهشگر
یاسمن عیدی
پژوهشگر
استاد راهنما: دکتر علی آچاک
نیمسال اول ۱۴۰۳