14963

14963

رمزگشايي سيگنال هاي مغزي جهت هدايت روبات پرنده

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي

خرداد1394

خرداد1394

دكتر محمدرضا دليري

برق

چكيده واسط¬هاي مغز- رايانه سيگنال¬هاي مغز را توسط ابزارهايي دريافت مي¬كنند،آن‌ها را تقويت، و فركانس¬هاي غيرمفيد و تداخلات محيطي¬شان راپالايش كرده، سپس بازه¬هاي فركانسي مخصوصي از اين سيگنال¬ها را برداشت مي‌كنند، آن‌ها را تحليل كرده و به فرمان‌هايي ترجمه مي‌كنند. اين فرمان¬ها به دستگاه¬هاي خروجي به خصوصي رله مي¬شوند و آن دستگاه¬ها نيز اعمال مشخصي را صادر مي¬كنند. در اين واسط¬ها از مسير¬هاي خروجي عصبي- عضلاني معمول استفاده نمي¬شود (مثل مسيرهايي كه از نخاع خارج مي¬شوند). كاربرد اصلي واسط¬هاي مغز و رايانه در توان‌بخشي به افراد مبتلا به ضايعه¬ي نخاعي شديد و يا داراي بيماري ALS (مرگ نورون¬ها)است. در كاربردهاي عملي، اين واسط¬ها مي-بايست به‌صورتبرخط و بلادرنگ سيگنال را از مغز دريافت كرده و به فرمان¬هايي تفسير كنند. اما معمولاً براي طراحي و بررسي اين سامانه¬ها سيگنال¬هاي از پيش ضبط‌شده لازم است. در اينپژوهشدو نوع از انواع واسط¬هاي مغز-رايانه پياده‌سازي شده است.نوع اول به‌صورت برخط و بلادرنگ و نوع دوم غير برخط اما بلادرنگ است.در بخش‌هاي پيش‌پردازش اين واسط¬ها،روش‌هاي حذف آرتيفكت و الگوهاي فضايي مشترك يا CSP براي حذف تداخلات و كاهش بعد بردارهاي ويژگي بهره¬گيري شده¬اند. در واسط نوع اول، سيگنال¬هابه‌صورت برخط و با دستگاه emotive 14 كاناله دريافت مي¬شوند و فرمان‌هابه‌صورت بلادرنگ تفسير مي‌گردند.در اين نوع، از پديده¬ي SSVEPاستفاده‌شده است. اين پديده در حين مشاهده به محرك‌هايي كه با فركانس به خصوصي چشمكمي‌زنند،-در سيگنال دريافت شده از بخش اكسيپيتال مغز- ظاهر مي¬شود.ويژگي‌هاي مختلفي از سيگنال مانند: وابستگي متقابل دو سيگنال، تخمين چگالي طيف توان و ضرايب مستقيم FFT براي تشخيص SSVEP و فركانس مدنظر بكار رفته است. در واسط نوع دوم، سيگنال¬ها غير برخط و از پيش ضبط‌شده و آماده هستند. اين داده¬ها از مسابقات BCIسال 2008 برداشت شده¬اند.در اين نوع،پديده‌هاي ERDو ERS كه در حين تصورات حركتي ايجاد مي‌شوند، براي تحليل سيگنال و ارسال فرمان به روبات پرندهمؤثرند.و همين‌طور از ويژگي¬هاي توان باند و پارامترهاي دامنه¬ي زمان براي تشخيص پديده¬ها و تصور حركت عضو به‌خصوص، استفاده ¬شده ¬است.تفكيك‌كننده‌هاي LDAو SVMنيز براي تفكيك اين ويژگي‌هاانتخاب و پياده¬سازي شده¬اند. اين پژوهش همچنين داراي نوآوري¬هايي است. مثلاً در نوع اول (SSVEP) از ويژگي مشابهت بين سيگنال‌ها از طريق محاسبه‌ي چسبندگي يا coherenceدو سيگنال بهره¬گيري شده (سيگنال ورودي و سيگنال¬هاي مرجع)، و فركانسي كه سيگنال مرجع مربوط به آن با سيگنال ورودي بيشترين مقدار cross Coherence را دارند مرتب‌شده. و درصورتي‌كه با فركانس‌هاي flickering محرك مطابقت داشته باشد، جهت مربوطه انتخاب مي‌شود.سيگنال‌هايمرجعبه‌صورت اختصاصي و قبل‌تر براي هركدام از 9 فركانس محرك¬ها ضبط و برگزيده شده¬اند. در اين بخش 9 فركانس چشمك زدن محرك وجود دارد كه مربوط به جهت¬هاي حركت روبات پرنده است. تمام اين پياده¬سازي¬ها (شامل هر دو نوع BCI) در يك نرم‌افزاربا واسط گرافيكي مناسب مجتمع شده¬اند. و انتخاب همه¬ي روش¬ها، ويژگي¬ها و تفكيك¬كننده¬ها از طريق اين نرم‌افزار صورت مي¬گيرد.اين نرم‌افزار به زبان C++ وبا استفاده از قالب¬هاي گرافيكيQtنوشته‌شده و قابليت اجرا بروي اكثرپلتفرم‌هاازجملهسامانه‌هايتوكار را دارد. در اين پژوهش نتايج و كارايي متدهاي مختلف با يكديگر مقايسه شده‌اند.يك محيط شبيه‌سازي براي تكميل حلقه‌يBCI و ارسال فرمان حركتي به روبات پرنده توسعه داده‌شده است. درواقعايده¬ي اصلي توليد اين نرم‌افزار و محيط شبيه‌سازي و نيز روبات واقعي توان‌بخشي به فردي است كه قادر به حركت هيچ عضوي از بدنش نيست و اينكه بتواند يك وسيله (مثل ويلچر) را در فضاي سه‌بعدي تحت كنترل خود درآورد.البته هدف اصلي اين پژوهش رمزگشايي و درك سيگنال‌هاي مغزي براي كاربردهاي مختلف بوده است. محيط شبيه‌سازي كه در اين پروژه توسعه داده‌شده است به‌خوبيمي‌تواند براي شبيه‌سازي‌هاي آينده در BCI استفاده گردد. روبات پرنده¬ي فيزيكيتوليدشده نيز با توجه به ويژگي‌هاي ديناميكي منحصربه‌فردمي‌تواندبه‌عنوان پلتفرمي براي تحقيقات BCI و كنترل استفاده گردد. واژه‌هاي كليدي:.واسط مغز –رايانه (BCI)، پتانسيل‌هاي برانگيخته پايدار بينايي (SSVEP)، هم‌زمان‌سازي و غير هم‌زمان‌سازي وابسته به رخداد(ERD/ERS)، تبديل فوريه¬ي سريع(FFT)، توان باند، SVM، LDA،روبات پرنده، كوادروتور، مكان‌يابي و نقشه‌برداريهم‌زمان