Analiza sygnałów biologicznych wywołanych bodźcem świetlnym pod kątem
ich wykorzystania w układach sterowania
Interfejs mózg - komputer (ang. Brain - Computer Interface, BCI), określany również jako interfejs mózg - maszyna (ang. Brain - Machine Interface, BMI) stanowi najbardziej bezpośredni sposób komunikacji pomiędzy ludzkim mózgiem a komputerem. Głównym zadaniem systemów BCI jest interpretacja intencji użytkownika poprzez monitorowanie aktywności mózgu. Postępy w neurologii, w zakresie technik przetwarzania sygnałów, miniaturyzacji czujników czy rozwoju wiedzy z dziedziny biomateriałów sprawiły, że obecnie w kilkudziesięciu znaczących ośrodkach na całym świecie prowadzone są intensywne badania nad inwazyjnymi oraz nieinwazyjnymi systemami BCI. Nieinwazyjne systemy BCI opierają się na rejestrowaniu za pomocą elektroencefalografu, sygnału elektrycznego, który odzwierciedla aktywność mózgu. W tej technice sygnał EEG jest rejestrowany za pomocą elektrod rozmieszczonych na skórze głowy użytkownika. Wśród potencjałów wykorzystywanych w systemach BCI wyróżniamy wzrokowe potencjały wywołane stanu ustalonego (ang. Steady - State Visual Evoked Potentials, SSVEP). Potencjały te powstają w ośrodkowym układzie nerwowym, jako efekt stymulacji siatkówki bodźcem świetlnym, którego częstotliwość przekracza 6 Hz. Głównym celem badawczym niniejszej rozprawy doktorskiej było opracowanie takich algorytmów przetwarzania sygnałów biologicznych, które pozwolą na wyodrębnienie z sygnału elektroencefalograficznego parametrów charakterystycznych, mogących posłużyć do sterowania w interfejsach mózg - komputer. W pracy skupiono się na analizie oraz detekcji parametrów charakterystycznych wzrokowych potencjałów wywołanych stanu ustalonego. W pierwszej części pracy zbadano wpływ oddziaływania bodźcem świetlnym o różnych parametrach (tj.: rodzaj urządzenia emitującego światło, kolor, realizacja jasności matrycy LED, wyświetlane wzory) na powstające w mózgu wzrokowe potencjały wywołane. W kolejnej części pracy opracowano układ wykorzystujący parametry charakterystyczne sygnału elektroencefalograficznego do sterowania wybranym
Analysis of biological signals evoked by visual stimulus in terms of their use
in control systems
A brain-computer interface (BCI) is defined as a system of communication or control which is based on consciously generated brain waves (EEG signals) that control a mechanical device. The BCI is a direct communication pathway between the human brain and computer or machine. In BCI systems the electrical signals generated by the neurons of the brain are monitors and translates into commands to control external systems. Progress in neurology, signal processing techniques, sensor miniaturisation and biomaterials has facilitated intensive research into non- invasive BCI interfaces which is being carried out in many major research centres around the world. Non-invasive BCI systems are based on the technique of recording an electric signal that reflects brain activity, using an electroencephalograph. In this technique, the EEG signal is recorded with electrodes placed on the scalp of a user. Among the potentials used in BCI systems are steady state visual evoked potentials (SSVEP). Such potentials originate in the central nervous system, as the effect of stimulating the retina with a light stimulus whose frequency exceeds 3.5 Hz. SSVEPs are characterised by an increase in the EEG signal approximating the frequency of the applied stimulus and they are most visible around the parieto - occipital area (electrodes located at points 01 and 02 of the international 10-20 system). This study is concerned with testing and analyzing the proposed BCI system based on SSVEP response. In the first part of the work, was analyzed the impact of a light stimulus with different parameters (i.e. type of device that emits light, color, LED matrix brightness, patterns) on the steady state visual evoked potentials. In the next part of the work, was developed a system using the characteristic parameters of the electroencephalographic signal controlling the selected output device (Lego Mindstorms).
