تفاوت میان نسخه‌های «واسط مغز و رایانه»

جز
اصلاح فاصله مجازی + اصلاح نویسه با استفاده از AWB
جز (اصلاح فاصله مجازی + اصلاح نویسه با استفاده از AWB)
{{تمیزکاری}}
 
'''واسط [[مغز]] و [[رایانه]]''' از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای [[پردازش]] سیگنال تشکیل می‌شود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند. در این [[سامانه]] ابتدا باید [[امواج مغزی]] را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولاً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از [[الکتروانسفالوگرافی]] برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت [[نورون]]‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگی‌های موردنظر استخراج می‌شود و از روی این ویژگی‌ها می‌توان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. در این مقاله این سیستم و پیشرفت‌هایی که تا کنونتاکنون روی این سامانه صورت گرفته‌است، بررسی شده‌است. از آن جایی که هنوز سرعت و دقت این سیستم‌ها به حد قابل قبولی نرسیده‌است، هنوز به صورت تجاری وارد بازار نشده‌است اما از آن جایی که این سیستم‌ها روش نوینی برای برقراری ارتباط، خصوصاً برای افرادی که از نظر جسمی معلول هستند را فراهم می‌کنند، گروه‌های پژوهشی زیادی روی این سامانه‌ها کار می‌کنند و امید است که در آینده‌ای نزدیک بتوان به سامانه‌هایی با سرعت و دقت بالا دست پیدا کرد.
 
== مقدمه ==
# فراهم آوردن مسیر ارتباطی جدید و غیرماهیچه‌ای برای مغز است که از طریق آن بتواند مستقیماً پیام‌ها و دستورالعمل‌های کنترلی را به محیط خارج ارسال نماید: یک رابط مغز و رایانه.{{سخ}}
خصوصیتی که این رابط‌های مغز و رایانه را از سایر وسایل ارتباطی مجزا می‌کند، عدم نیاز به حرکتی آشکار در بدن به منظور انتقال اطلاعات می‌باشد. بدین ترتیب در حالتی ایده‌آل شخص باید بتواند بی حرکت در جای خود نشسته و با تمرکز بر برخی افکار و تولید [[امواج مغزی]] مناسب منظور خود را بیان کند. با توجه به عدم امکان تحرک در برخی بیماران، اهمیت این موضوع بیشتر نمایان می‌شود.
مطالعات متعددی نشان دهنده تأثیر فعالیت‌ها و تصورات ذهنی گوناگون بر امواج مغزی بوده‌اند. به عنوان مثال، توان باند [[آلفا]] در هنگام عملیات لفظی در [[نیمکره]] چپ نسبت به نیمکره راست کمتر می‌شود. این در حالی است که دربارهٔ عمل تصور دوران سه بعدی این موضوع برعکس است. به این پدیده اصطلاحاً عدم تقارن باند آلفا می‌گویند. به عنوان مثالی دیگر، تصمیم به حرکت می‌تواند یک ریتم خاص به نام [[ریتم]] [[میو]] را در سیگنال مغزی کاهش داده یا بلوکه نماید. نتیجه پژوهشی که توسط [[دویل]] بر عملیات حرکتی و غیر حرکتی انجام گرفت نشان می‌دهد که عملیاتی که منجر به تحریک قسمت‌های حرکتی مغز شوند، باعث ایجاد عدم تقارن بیشتری بین دو نیمکره می‌گردند. در یک تعبیر کلی این پژوهش‌ها نشان دهنده وجود تفاوت‌های قابل اندازه‌گیری در سیگنال مغزی که مرتبط با تصورات یا عملیات ذهنی متفاوت هستند، می‌باشد. به عنوان مثال، چنانچه ما بتوانیم با دقت بالا تفاوت بین یک عمل ذهنی که تحریک کنندهتحریک‌کننده نیمکره راست و عمل دیگری که تحریک کنندهتحریک‌کننده نیمکره چپ است را از یکدیگر و هر دو را از حالت استراحت تشخیص دهیم می‌توانیم یک الفبای سه حرفی داشته باشیم؛ بنابراین شخص می‌تواند با ترجمه تفاوت‌های سیگنال EEG خود در قالب حروف، ۲۷ کلمه گوناگون بسازد. با در نظر گرفتن فرض‌های زیر، شخص می‌تواند دستورات متعددی صادر نماید:
-حرف A نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک کنندهتحریک‌کننده نیمکره راست
-حرف B نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک کنندهتحریک‌کننده نیمکره چپ
-حرف C نشان دهنده حالت استراحت (فعالیت پایه)
با ترکیب نمودن این فعالیت‌ها فرد می‌توان دستورات ساده‌ای تولید نمود:
== EEG ==
=== معرفی ===
EEG مخفف Electroencephalography است که با استفاده از یک سری الکترودها که در سطح مغز قرار می‌گیرند، فعالیت‌های الکتریکی مغز را اندازه‌گیری می‌کند. الکترودها به منظور جمع‌آوری ولتاژ در مکان‌های خاصی از مغز قرار می‌گیرند. قبل از اینکه الکترودها در سطح پوست قرار گیرند یک ژل هادی به منظور کاهش مقاومت روی پوست سر مالیده می‌شود، خروجی این الکترودها به ورودی یک تقویت کنندهتقویت‌کننده وصل می‌شود سپس از فیلترهای بالا گذر و پایین گذر عبور داده می‌شود.
تغییرات در جریان [[اکسیژن]] [[خون]] با میزان فعالیت‌های عصبی ارتباط دارد. زمانی که سلول‌های عصبی فعال هستند اکسیژنی که توسط [[هموگلوبین]] خون حمل می‌شود را مصرف می‌کنند. پاسخ محلی به این کاهش اکسیژن افزایش جریان خون در ناحیه‌هایی است که فعالیت‌های عصبی زیاد است. از طرف دیگر در اثر فعالیت‌های عصبی و انتقال پیام‌های عصبی [[جریان الکتریکی]] تولید می‌شود که این جریان الکتریکی طبق قانون [[ماکسول]] یک [[میدان مغناطیسی]] را تولید می‌کند. با توجه به این مطالب ما روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری فعالیت‌های مغزی داریم:
1. Positron Emission Tomography (PET){{سخ}}
این روش سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط مغز را اندازه‌گیری می‌کند.{{سخ}}
{{سخ}}
با وجود این که دقت مکانی EEG پایین است ولی دقت زمانی آن بالاست و کمتر از چند میلی ثانیهمیلی‌ثانیه می‌باشد. همچنین این روش به نسبت ارزان است و استفاده از آن نیز آسان می‌باشد. به دلیل این خصوصیات اکثر BCIها از این روش برای ثبت فعالیت‌های مغز استفاده می‌کنند.
 
آنالیز - نویز
 
شکل یک نمونه EEG وطیفهای فرکانسی آن در (نمونه rapidshare.com/files/323512976/0011.JPG.html
و طیف آن rapidshare.com/files/323513875/0012.JPG.html) آمدا است. رنج دامنه سیگنال‌های EEG برای کانالهایکانال‌های مختلف نسبت به هم متفاوت است. به همین
منظور عمل نرمالیزاسیون طبق (rapidshare.com/files/323522398/003.jpg.html) بررویبر روی هر یک از کانالهاکانال‌ها می‌بایست صورت پذیرد.
 
شکل‌های نرمالیزه شده سیگنال EEG:
روشهای مختلفی برای حذف اثر [[پلک]] زدن چشم و حرکت ماهیچه ارائه شده‌است.
# (Independent Component Analyzing (ICA
# آنالیز اجزای مستقل تکنیک بازسازی سیگنالهای مستقل از روی سیگنالهای اندازه‌گیری شده‌است. با این فرض که سیگنالهای اندازه‌گیری شده بصورتبه صورت ترکیب خطی از سیگنالهای مستقل می‌باشند.
# حذف OA با استفاده از تبدیل [[ویولت]]
بررسی تکه‌ای سیگنال برای شناسایی OA و استفاده از ضریب وابستگی برای حذف OA
ایده زیر برای حذف OA ارائه شده‌است.
برای این منظور ابتدا یک میانگین گیریمیانگین‌گیری از سیگنالها که تأثیر پلک زدن و حرکت ماهیچه را بخوبیبه خوبی نمایان می‌کند انجام می‌دهیم سپس سیگنال میانگین را مطابق شکل به پنجره‌های ۴۰ نمونه‌ای تقسیم کرده و موقعیت بیشینه و کمینه دامنه را در هر پنجره مشخص می‌کنیم.
 
(rapidshare.com/files/323523738/008.jpg.html
تقسیم‌بندی سیگنال EEG به پنجره‌های ۴۰ نمونه‌ای)
 
سپس موقعیت مقدار ماکزیمم بین پیک ماکزیمم و پیک مینیمم را می‌یابیم. حال دوباره یک پنجره ۲۰ نمونه‌ای به مرکزیت پیک تعیین شده طبق روال توضیح داده شده در بالا انتخاب می‌کنیم. اگر قدر مطلق تفاضل نقطه ماکزیمم و نقطه مینیمم در پنجره جدید بیشتر از حد آستانه تعیین شده باشد، این پنجره بعنوانبه عنوان سیگنال OA قلمداد می‌شود. به مرکزیت پیک تعیین شده یک پنجره ۳۲ نمونه‌ای بطوریکهبه‌طوری‌که ۱۵نمونه قبل و ۱۶ نمونه بعد از آن را شامل شود به عنوان ناحیه OA تعریف می‌کنیم. این ناحیه را در سیگنال EEG مورد آزمایش نیز مشخص می‌کنیم.
 
این الگوریتم بطور اتو ماتیک با بررسی سیگنال قابلیت شناسایی ناحیه OA و حذف آن را طبق رابطه بالا دارد. شکل سیگنال و میانگین حاصل را نشان می‌دهد. (rapidshare.com/files/323524117/009.jpg.html)
 
با توجه به اینکه مولفه P300 سیگنال در حوزه زمان دارای یک پیک دامنه
در نزدیکی t=300 ms پس از تحریک می‌باشد بنابراین در حوزه زمان از این ویژگی برای تمیز کردن سیگنال P300 دار از سیگنال غیر P300 استفاده می‌کنیم. برای این منظور ابتدا عمل پیش پردازش یعنی عبور از فیلتر میان گذر [0.3 32 Hz] و حذف ناحیه OA در صورت وجود را بررویبر روی سیگنال EEG اعمال می‌کنیم. سپس برای هر کاراکتر دو سیگنال از ۱۲ سیگنال که دارای مولفه P300 است را مشخص می‌کنیم؛ بنابراین در ۱۵ بار تکرار سیگنال EEG دارای مولفه P300 و سیگنال EEG غیر مولفه P300 داریم. با میانگین گیریمیانگین‌گیری سیگنال‌های دارای مولفه P300، الگوی مناسبی از این سیگنال بدست می‌آید. حال بمنظوربه منظور کاهش بعد سیگنال عمل down sampling با رنج ۶ بررویبر روی سیگنال انجام می‌دهیم که در نهایت سیگنال ۲۴۰ نمونه‌ای مطابق با شکل۱۱ به سیگنال با ۴۰ نمونه تبدیل می‌شود.
در مرحله طبقه‌بندی سیگنال، از این ۴۰ نمونه بعنوانبه عنوان الگوی یک سیگنال EEG دارای مولفه P300 استفاده می‌کنیم. این روش در طبقه‌بندی با محاسبه کرلیشن بسیار مناسب است.
 
(rapidshare.com/files/323524849/0011.jpg.html
 
==== شبکه نورونی ====
در دستگاه اعصاب میلیاردها نورون وجود دارند که پیام‌های عصبی را به صورت امواج الکتریکی ملایم منتقل می‌سازند. اما پیام‌های عصبی تنها از یک نورون به نورون دیگر منتقل نمی‌شوند. داندریت‌ها و انتهای [[آکسون]]ها به چند شاخه منشعب می‌شوند و این شاخه‌ها با چندین نورون ارتباط پیدا می‌کنند، به طوری کهبه‌طوری‌که هر نورون با چندین نورون مجاور مرتبط می‌گردد. تعداد ارتباطات نورونی در سراسر دستگاه اعصاب فوق‌العاده زیاد است. مسیرهای متفاوتی که هر پیام عصبی می‌تواند انتخاب کند تقریباً پایان ناپذیرند. اندیشه‌ها، احساسات و یادهای ما به عنوان الگوهای ویژه پیام‌های عصبی باقی می‌مانند و دائماً از طریق چند مسیر معین به مغز انتقال داده می‌شوند. هر پیام از میان میلیاردها آکسون و داندریت فقط یک مسیر خاص را انتخاب می‌کند.
 
==== یون‌ها و سیناپس‌ها ====
 
==== ساختار مغز ====
مغز انسان را می‌توان از نظر سازمانی به سه بخش کلی تقسیم کرد: [[ساقه مغز|ساقهٔ مغز]]، [[مخچه]] و [[غشای مغز]]. ساقهٔ مغز عملاً امتداد و جزئی از نخاع و بخشی از مغز است که پیش از همه تکامل می‌یابد و ساختاری به نام [[بصل النخاع]] را دربردارد که سامانه‌های تنظیم کنندهتنظیم‌کننده لازم برای ادامهٔ حیات را شامل می‌شود، مثل سامانه‌های [[تنفس]]، [[ضربان قلب]] و تنظیم دمای بدن. در بالای ساقهٔ مغز، تودهٔ ویژه‌ای به نام مخچه وجود دارد. این پردازشگر سیگنال جالب توجه، در حفظ تعادل و انجام حرکات آرام و هماهنگ نقش حیاتی دارد. [[تالاموس]] به عنوان یک نقطه انتخاب اولیه برای تمام اطلاعات حسی (بینایی، شنوایی و حس‌های پیکری) که در نهایت به بخش پیچیده‌تر بیرونی مغز یعنی قشر می‌رسند، عمل می‌کند. بخشی از مغز که سطح آن از همه بالاتر و حجیم‌تر است، [[مخ]] نامیده می‌شود و از دو نیم‌کره مغزی راست و چپ تشکیل می‌شود. غشا مغزی لایهٔ سطحی هر نیم‌کره را تشکیل می‌دهد. گرچه عملکرد ساختار پیچیده غشای مغز به‌طور کامل درک نشده‌است ولی می‌توان آن را به لوب‌های زیر از نظر کاری که انجام می‌دهند تقسیم کرد:
# لوب پس‌سری یا قشر بینایی اولیه در قسمت عقب سر.
# لوب گیجگاهی که قسمت پایینی میانی هر یک از نیمکره‌ها را اشغال می‌کند و قشر شنوایی اولیه را دربردارد.
 
=== استاندارد ۱۰–۲۰ ===
برای داشتن امکان مقایسه نتایج ثبت سیگنال مغزی و امکان تعمیم نتایج در سال ۱۹۴۹م. یک شیوه الکترود گذاریالکترودگذاری به عنوان استاندارد بین‌المللی شناخته شد. این چیدمان جهانی الکترودها که به عنوان استاندارد ۱۰–۲۰ شناخته شد، امکان پوشاندن تقریباً تمام نواحی سر را توسط الکترودها فراهم می‌کند (شکل ۸). انتخاب محل الکترودها بر اساس نقاط ویژه استخوان جمجمه انجام پذیرفته‌است. الکترودها در نواحی تلاقی سطوح استخوان جمجمه قرار می‌گیرند که سایر الکترودهای میانی بر اساس ۱۰ و ۲۰ درصد کل فاصله چیده خواهند شد. شکل ۴ نواحی مختلف قرار گیریقرارگیری الکترودها را نشان می‌دهد. نام هر منطقه بر اساس لبی که در آن قرار گرفته‌است و قرار داشتن در نیم‌کره راست یا چپ مشخص می‌شود به این صورت که در نیم‌کره چپ با اعداد فرد و در نیمکره راست با اعداد زوج نشان داده می‌شود.
 
=== امواج مغز ===
* (۱۶–۳۱) بتا
 
پتانسیل‌های برانگیخته در حقیقت تغییراتی در سیگنال EEG هستند که در پاسخ به یک «اتفاق» مغزی یا محرک خاص روی می‌دهند. این تغییرات آنقدر کوچکند که برای آشکارسازی آن باید نمونه‌های بسیاری از EEG در تکرارهای زیاد میانگین گیریمیانگین‌گیری شوند. این میانگین گیریمیانگین‌گیری پرش‌های تصادفی سیگنال EEG که وابسته به محرک نیستند را از بین می‌برد؛ بنابراین بررسی سیگنال‌های ناشی از تحریک مغز همان تجزیه و تحلیل حوزه زمان سیگنال EEG می‌باشد. به عنوان نمونه‌ای از این پتانسیل‌ها می‌توان به پتانسیل P300 اشاره کرد؛ که با تأخیری حدود ۳۰۰ میلی ثانیهمیلی‌ثانیه و با پیک مثبت روی جمجمه قابل ثبت خواهد بود.
 
== واسط مغز و رایانه ==
[[رده:اندام ساختگی مغز و اعصاب]]
[[رده:تعامل انسان و رایانه]]
[[رده:تکنیک‌های تاثیرپذیریتأثیرپذیری متقابل]]
[[رده:درون‌کاشت‌ها]]
[[رده:فیزیک پزشکی]]
۱۳۳٬۲۴۲

ویرایش