Разработка нейрокомпьютерного интерфейса на наносенсорах
|
Введение 13
1 Литературный обзор 16
1.1 Проблемы реабилитационной медицины 16
1.2 Мозговая активность и реабилитация людей. 17
1.2.1 Описание строения головного мозга, его функциональных частей,
электрической активности 19
1.3 Виды ИМК, история создания, различия по способу регистрации электрического
сигнала 26
1.3.1 Инвазивные ИМК. 26
1.3.1.1 Алгоритмы преобразования активности мозга в команду внешнему
устройству 31
1.3.2 Неинвазивные ИМК. 33
1.3.2.1 ИМК на основе зрительных вызванных потенциалах 33
1.3.2.2 ИМК на основе медленных корковых потенциалов 34
1.3.2.3 ИМК на основе потенциала P300 35
1.3.2.4 ИМК основанные на различных типах ментальной деятельности. 38
1.3.4 Обучение навыку управления внешними объектами 41
2 Разработка нейрокомпьютерного интерфейса 43
2.1 Регистрация сигнала 44
2.1.1 Аппаратура для электроэнцефалографических исследований 45
2.1.1.1 Наносенсоры 45
2.1.1.2 Аппаратно-программный комплекс. 47
2.2 Техническая реализация интерфейса на основе потенциала P300 51
3.1 Выбор места наложения электродов для снятия сигнала 54
3.2 Ход эксперимента. 55
3.3 Обработка сигнала и фильтрация. 57
4 Анализ полученных результатов. Разработка шаблонов классификатора. 59
4.1 Анализ результатов 59
4.2 Анализ распределения микропотенциалов в зависимости от предъявляемого
стимула 65
4.3 Шаблоны для классификации сигнала 67
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 69
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 69
5.1.1 SWOT - анализ 69
5.2 Планирование этапов и выполнения работ проводимого научного исследования 71
5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 71
5.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 72
5.3 Расчет бюджета для научно-технического исследования 74
5.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 74
5.3.2 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы 75
5.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 77
5.3.4 Накладные расходы 78
5.3.5 Формирование общего бюджета затрат научно-исследовательского проекта .. 78
6 Социальная ответственность 81
6.1.1 Повышенный уровень шума 83
6.1.2 Недостаточная освещенность на рабочем месте 83
6.1.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений 84
6.1.4 Поражение электрическим током 86
6.2 Экологическая безопасность 87
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. 87
6.3.1 Организационные меры 88
Заключение 94
Список публикаций студента 95
Список использованных источников 96
Приложение А 100
Приложение Б 103
1 Литературный обзор 16
1.1 Проблемы реабилитационной медицины 16
1.2 Мозговая активность и реабилитация людей. 17
1.2.1 Описание строения головного мозга, его функциональных частей,
электрической активности 19
1.3 Виды ИМК, история создания, различия по способу регистрации электрического
сигнала 26
1.3.1 Инвазивные ИМК. 26
1.3.1.1 Алгоритмы преобразования активности мозга в команду внешнему
устройству 31
1.3.2 Неинвазивные ИМК. 33
1.3.2.1 ИМК на основе зрительных вызванных потенциалах 33
1.3.2.2 ИМК на основе медленных корковых потенциалов 34
1.3.2.3 ИМК на основе потенциала P300 35
1.3.2.4 ИМК основанные на различных типах ментальной деятельности. 38
1.3.4 Обучение навыку управления внешними объектами 41
2 Разработка нейрокомпьютерного интерфейса 43
2.1 Регистрация сигнала 44
2.1.1 Аппаратура для электроэнцефалографических исследований 45
2.1.1.1 Наносенсоры 45
2.1.1.2 Аппаратно-программный комплекс. 47
2.2 Техническая реализация интерфейса на основе потенциала P300 51
3.1 Выбор места наложения электродов для снятия сигнала 54
3.2 Ход эксперимента. 55
3.3 Обработка сигнала и фильтрация. 57
4 Анализ полученных результатов. Разработка шаблонов классификатора. 59
4.1 Анализ результатов 59
4.2 Анализ распределения микропотенциалов в зависимости от предъявляемого
стимула 65
4.3 Шаблоны для классификации сигнала 67
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 69
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 69
5.1.1 SWOT - анализ 69
5.2 Планирование этапов и выполнения работ проводимого научного исследования 71
5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 71
5.2.2 Разработка графика проведения научного исследования 72
5.3 Расчет бюджета для научно-технического исследования 74
5.3.1 Расчет материальных затрат НТИ 74
5.3.2 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы 75
5.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 77
5.3.4 Накладные расходы 78
5.3.5 Формирование общего бюджета затрат научно-исследовательского проекта .. 78
6 Социальная ответственность 81
6.1.1 Повышенный уровень шума 83
6.1.2 Недостаточная освещенность на рабочем месте 83
6.1.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений 84
6.1.4 Поражение электрическим током 86
6.2 Экологическая безопасность 87
6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. 87
6.3.1 Организационные меры 88
Заключение 94
Список публикаций студента 95
Список использованных источников 96
Приложение А 100
Приложение Б 103
Объектом исследования является нейрокомпьютерный интерфейс.
Цель работы - разработка прототипа нейрокомпьютерного интерфейса, экспериментальное подтверждение возможности использования наносенсоров для выявления классификаторов ИМК.
В процессе работы проводились:
• обзор российской и зарубежной литературы
• выбор принципа работы ИМК и определение алгоритма его работы
• разработка программного обеспечения
• постановка эксперимента
• проведение экспериментальных исследований
В результате исследования был разработан прототип интерфейса «мозг- компьютер». Проведен эксперимент, в результате которого были выявлены классификаторы для построения ИМК, а также составлены их шаблоны. В дальнейшем планируется использовать интерфейс в медицине для реабилитации больных с периферическим параличом.
Введение
В повседневной жизни, мы не задумываемся о том, насколько функционально наше тело, каждый день мы выполняем тысячи действий, кажущиеся нам естественными и простыми. Здоровый человек не придаёт значение тому, что он может самостоятельно передвигаться, работать руками, общаться с окружающими и вести социальный образ жизни, для нас это кажется обыденным и само собой разумеющимся. Как бы то ни было, никто из нас не застрахован от ситуации, будь то результатом травмы или заболевания, в которой двигательные функции организма станут недоступны, в том числе движения рта и языка. Человек, оказавшийся лицом к лицу с такой проблемой, переносит тяжелые эмоциональные и физические страдания. Больше всего он нуждается в общении, которое теперь ему недоступно.
Вот уже несколько десятилетий различные учёные со всего мира ищут возможности для помощи парализованным людям, улучшения качества их жизни. Открытия в области медицины, позволили создать новый тип устройств, позволяющих при помощи электрической активности мозга управлять различными внешними механизмами, или программными средствами, при этом, не используя мышечной активности. Данное устройство получило название нейрокомпьютерный интерфейс.
Появление и развитие нейрокомпьютерных интерфейсов стало новой надеждой для парализованных людей. Данная технология позволила им вернуть некоторые функции человеческого тела, и облегчить повседневную жизнь. В последние годы научный интерес к данной теме неуклонно растет. Все больше нуждающихся людей проявляют интерес к нейрокомпьютерным интерфейсам, вследствие чего практическое применение данной технологии стало очень перспективным.
Данная диссертационная работа направленна на разработку нейрокомпьютерного интерфейса, который облегчит жизнь парализованным людям, и позволит им вновь стать социально активными.
Цель диссертационной работы - разработка нейрокомпьютерного интерфейса ввода данных, с применением наносенсоров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Обзор и анализ российской и зарубежной литературы
2. Выбор принципа работы ИМК и определение алгоритма его работы.
3. Выбор и обоснование структурной схемы ИМК.
4. Постановка эксперимента для подтверждения возможности выявления классификаторов, используемых интерфейсом мозг-компьютер.
5. Обработка полученных данных с выявлением классификаторов для построения ИМК.
Методы исследований:
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратно-программных средств.
Научная новизна работы:
Разработан прототип нейрокомпьютерного интерфейса, использующего оборудование высокого разрешения (частота дискретизации 32000Гц, шаг квантования 40 нВ, диапазон входных напряжений при регистрации сигнала от 0,3мкВ до 10мВ) для снятия биопотенциала мозга. Данное оборудование позволяет выявлять классификаторы в сигнале мозга с высокой точностью, что положительно отражается на скорости работы нейрокомпьютерного интерфейса. Впервые проведено исследование распределения микропотенциалов мозга в ответ на предъявление различных зрительных стимулов, показано, что распределение микропотенциалов мозга может послужить классификатором в дальнейших разработках нейрокомпьютерного интерфейса.
Практическая ценность работы:
Проведены предварительные медицинские исследования на добровольцах, подтверждающие возможность использования оборудования высокого разрешения для разработки интерфейсов ввода «мозг-компьютер».
На основе проведенных исследований выявлены оптимальные характеристики, определяющие ответ на зрительный импульс р300, формирующий классификатор интерфейса.
Исследована возможность использования микропотенциалов мозга для формирования интерфейса взаимодействия «мозг-компьютер», основанного на анализе количества микропотенциалов определенной длительности и амплитуды.
Личный вклад автора:
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии
Цель работы - разработка прототипа нейрокомпьютерного интерфейса, экспериментальное подтверждение возможности использования наносенсоров для выявления классификаторов ИМК.
В процессе работы проводились:
• обзор российской и зарубежной литературы
• выбор принципа работы ИМК и определение алгоритма его работы
• разработка программного обеспечения
• постановка эксперимента
• проведение экспериментальных исследований
В результате исследования был разработан прототип интерфейса «мозг- компьютер». Проведен эксперимент, в результате которого были выявлены классификаторы для построения ИМК, а также составлены их шаблоны. В дальнейшем планируется использовать интерфейс в медицине для реабилитации больных с периферическим параличом.
Введение
В повседневной жизни, мы не задумываемся о том, насколько функционально наше тело, каждый день мы выполняем тысячи действий, кажущиеся нам естественными и простыми. Здоровый человек не придаёт значение тому, что он может самостоятельно передвигаться, работать руками, общаться с окружающими и вести социальный образ жизни, для нас это кажется обыденным и само собой разумеющимся. Как бы то ни было, никто из нас не застрахован от ситуации, будь то результатом травмы или заболевания, в которой двигательные функции организма станут недоступны, в том числе движения рта и языка. Человек, оказавшийся лицом к лицу с такой проблемой, переносит тяжелые эмоциональные и физические страдания. Больше всего он нуждается в общении, которое теперь ему недоступно.
Вот уже несколько десятилетий различные учёные со всего мира ищут возможности для помощи парализованным людям, улучшения качества их жизни. Открытия в области медицины, позволили создать новый тип устройств, позволяющих при помощи электрической активности мозга управлять различными внешними механизмами, или программными средствами, при этом, не используя мышечной активности. Данное устройство получило название нейрокомпьютерный интерфейс.
Появление и развитие нейрокомпьютерных интерфейсов стало новой надеждой для парализованных людей. Данная технология позволила им вернуть некоторые функции человеческого тела, и облегчить повседневную жизнь. В последние годы научный интерес к данной теме неуклонно растет. Все больше нуждающихся людей проявляют интерес к нейрокомпьютерным интерфейсам, вследствие чего практическое применение данной технологии стало очень перспективным.
Данная диссертационная работа направленна на разработку нейрокомпьютерного интерфейса, который облегчит жизнь парализованным людям, и позволит им вновь стать социально активными.
Цель диссертационной работы - разработка нейрокомпьютерного интерфейса ввода данных, с применением наносенсоров.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Обзор и анализ российской и зарубежной литературы
2. Выбор принципа работы ИМК и определение алгоритма его работы.
3. Выбор и обоснование структурной схемы ИМК.
4. Постановка эксперимента для подтверждения возможности выявления классификаторов, используемых интерфейсом мозг-компьютер.
5. Обработка полученных данных с выявлением классификаторов для построения ИМК.
Методы исследований:
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории измерительных сигналов, прикладной и вычислительной математике, прикладных программах для персонального компьютера, принципах построения современных аппаратно-программных средств.
Научная новизна работы:
Разработан прототип нейрокомпьютерного интерфейса, использующего оборудование высокого разрешения (частота дискретизации 32000Гц, шаг квантования 40 нВ, диапазон входных напряжений при регистрации сигнала от 0,3мкВ до 10мВ) для снятия биопотенциала мозга. Данное оборудование позволяет выявлять классификаторы в сигнале мозга с высокой точностью, что положительно отражается на скорости работы нейрокомпьютерного интерфейса. Впервые проведено исследование распределения микропотенциалов мозга в ответ на предъявление различных зрительных стимулов, показано, что распределение микропотенциалов мозга может послужить классификатором в дальнейших разработках нейрокомпьютерного интерфейса.
Практическая ценность работы:
Проведены предварительные медицинские исследования на добровольцах, подтверждающие возможность использования оборудования высокого разрешения для разработки интерфейсов ввода «мозг-компьютер».
На основе проведенных исследований выявлены оптимальные характеристики, определяющие ответ на зрительный импульс р300, формирующий классификатор интерфейса.
Исследована возможность использования микропотенциалов мозга для формирования интерфейса взаимодействия «мозг-компьютер», основанного на анализе количества микропотенциалов определенной длительности и амплитуды.
Личный вклад автора:
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии