PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 88 NR 11a/2012 101 Andrzej MAJKOWSKI, Marcin KOŁODZIEJ, Remigiusz Jan RAK Politechnika Warszawska, Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Systemów Informacyjno-Pomiarowych Wizualizacja rozkładu potencjałów EEG w zastosowaniu do asynchronicznego interfejsu mózg-komputer Streszczenie. Zadaniem interfejsu mózg-komputer (Brain-Computer Interface: BCI) jest umożliwienie osobom sparaliżowanym komunikacji z otoczeniem. W tym zakresie, systemy BCI umożliwiają przetworzenie „myśli” na proces sterowania urządzeniami zewnętrznymi takimi jak protezy czy wózki inwalidzkie. Opisane w artykule badania mają na celu wskazanie najlepszych miejsc do naklejenia elektrod systemu elektroencefalograficznego (EEG) na głowie pacjenta na potrzeby asynchronicznego interfejsu mózg-komputer. Abstract. The main purpose of a brain-computer interface (BCI) is to allow paralyzed people to communicate with the environment. Currently, the proposed BCI systems of this type are able to process "thoughts" in order to control external devices such as prostheses or wheelchairs. The article presents results of our research how to identify the best places for EEG electrodes on the patient's head for asynchronous brain-computer interface. (Visualization of EEG potential distribution on the patient’s head in application to asynchronous brain-computer interface). Słowa kluczowe: interfejs mózg-komputer, BCI, EEG, ERD/ERS. Keywords: brain-computer interface, BCI, EEG, ERD/ERS. Wstęp Interfejs mózg-komputer stanowi zwykle złożony system, w którym nieodzownymi elementami są: akwizycja, przetwarzanie i analiza sygnału EEG. Choć idea interfejsów mózg-komputer nie jest najnowsza [1], to praktyczne użycie takich interfejsów stało się możliwe dopiero po zastosowaniu szybkich komputerów, zapewniających przetwarzanie sygnałów EEG w czasie rzeczywistym. W systemach BCI wykorzystuje się wybrane sygnały bioelektrycznej aktywności mózgu, zebrane bezpośrednio z mózgu (inwazyjnie) lub z powierzchni skóry czaszki (bezinwazyjnie). Zarejestrowane sygnały, po odpowiednim kondycjonowaniu, są przetwarzane i analizowane. Realizowana jest: ekstrakcja cech, selekcja cech i wreszcie ich klasyfikacja (rys.1). Miejsce naklejenia elektrod na głowie, jak i sposób wydobycia cech z zarejestrowanego za ich pomocą sygnału, mogą ulegać zmianie w zależności od tego, jaka metoda zostanie zastosowana do realizacji interfejsu mózg-komputer. Rys.1. Zasada działania interfejsu mózg-komputer Jak wspomniano, w interfejsie mózg-komputer wykorzystuje się bezpośrednio fale generowane przez mózg. Stąd też, impulsy elektryczne pochodzące od aktywności mięśni, traktowane są w tym przypadku jako niepożądane. Należy zaznaczyć, że amplituda tych impulsów, mierzona w mV, jest o wiele większa niż potencjały samego sygnału EEG, którego poziomy nie osiągają nawet 100 μV. Impulsy te należą do grupy artefaktów fizjologicznych. Wyróżnia się synchroniczne i asynchroniczne interfejsy mózg-komputer. W przypadku interfejsów synchronicznych znana jest chwila wystąpienia określonego zdarzenia, związanego z pobudzeniem aktywności mózgu. W konsekwencji, wiadomo z góry, który fragment sygnału EEG należy przetwarzać. W przypadku interfejsów asynchronicznych, nie wiadomo, w której części zapisu znajduje się użyteczna informacja. Dlatego należy poddawać analizie całość sygnału. Interfejsy asynchroniczne są trudniejsze w realizacji. Potencjały ERD/ERS Najtrudniejsze w realizacji są interfejsy asynchroniczne, w których wykorzystuje się sygnały powstające na skutek wyobrażeń dotyczących ruchu wybranych części ciała. Jest to możliwe dzięki temu, że nie ma większej różnicy w pracy mózgu pomiędzy rzeczywiście wykonywanym, a tylko wyobrażanym ruchem. Na przykład użytkownik wyobraża sobie ruch prawą czy lewą ręką, a system, z użyciem stosownego algorytmu, „odgaduje” intencje użytkownika. Można wyobrazić sobie system BCI, w którym wyobrażenie ruchu prawą ręką powoduje skręt wózka inwalidzkiego w prawą stronę, lewą ręką w lewą stronę, prawą nogą ruch do przodu, lewą nogą zatrzymanie. Jest to możliwe dzięki temu, że różne rejony kory mózgowej zmieniają swoją aktywność podczas wykonywania ruchu w zależności od tego, którą częścią ciała chcemy poruszyć. Mówimy wtedy o desynchronizacji i synchronizacji potencjałów mózgowych skojarzonych z ruchem (ERD/ERS: event-related desynchronization/syn-chronnization). Sformułowanie problemu W aktualnie budowanych systemach BCI wykorzystuje się od kilkunastu do kilkudziesięciu elektrod. Eksperymenty opisane w artykule mają na celu wskazanie najbardziej odpowiednich miejsc na głowie pacjenta do naklejenia elektrod, w celu rejestracji sygnału EEG na użytek asynchronicznego interfejsu mózg-komputer. W mniemaniu autorów, umożliwi to znaczące ograniczenie liczby wykorzystywanych elektrod. Trzeba jednak liczyć się z tym, że znaczące ograniczenie liczby elektrod, może pociągnąć za sobą konieczność „nauczenia się” przez użytkownika „perfekcyjnego” generowania potencjałów mózgowych, przez realizację konkretnych „zadań myślowych” (mental