BCI2000 - programski paket

1. UVOD

BCI2000 je programski paket čiji razvoj je započet 2000. godine u sklopu Brain-Computer Interface R&D Programa, sa sjedištem u Wadsworth Centru, u Odjelu za Zdravlje države NewYork. Projektu također pridonosi nekolicina laboratorija i sveučilišta kao što su sveučilište u Tübingenu, sveučilište države Georgia u u Atlanti, te zadruga Svete Lucije u Rimu.

Projekt je otvorenog koda (GNU General Public Licence), dakle besplatan je za istraživačke i edukacijske svrhe, a za komercijalne svrhe se plaća. Koristi se za prikuplanje podataka mjerenih sa mozga, pretprocesiranje podataka, prikaz i pregled tih podataka, te za razvoj aplikacija za nadzor aktivnosti mozga, dakle sadrži sve komponente sučelja za komunikaciju između računala i mozga (Brain-computer interface, BCI) osim fizičkog prikupljanja podataka senzorima. Uglavnom se koriste podaci direktno izmjereni sa mozga uz pomoć jednog od tipova uređaja, no postoje već priloženi setovi podataka (npr „mu“ signal) koje možemo proučavati [1].

1.1. Sučelja između mozga i računala

Takozvana BCI sučelja su uređaji i sustavi koji omogućuju komunikaciju između mozga i računala, preko mjernih uređaja i obrađenih podataka mjerenih sa mozga. Takva sučelja su se počela razvijati još 70ih godina prošlog stoljeća, no funkcionalni potencijal se je počeo osjećati tek prošlog desetljeća, kada su se računala dovoljno smanjila volumenom, a povećala procesorskom snagom i brzinom memorije.

Koristi BCI-a se najviše može vidjeti u primjeni u asistivnim tehnologijama, pošto česti mogu nadomjestiti neku izgubljenu funkciju osobe, kao što je nedostatak vida ili nemogućnost kretanja. Doduše, ta tehnologija je najpotrebnija osobama koje nemaju niti mogućnost kretanja niti mogućnost komuniciranja, kao što su osobe sa ALS, i sa locked-in sindromom. Takvim osobama je prvenstveno najvažnije da povrate mogućnost komunikacije da mogu izraziti potrebe, a BCI i valovi u mozgu su često jedini način na koji se može dati neku povratnu informaciju prema svojoj okolini. Najranija primjena BCI-a je zamjena očnog živca i očne jabučice sa kamerom i računalom, te se tako može umjetno povratiti ta sposobnost [2].

Slika 1.1.  Komponente Brain-computer sučelja

Osnovne komponente kompletnog BCI-a su, kao što je prikazano na slici 1.1 redom s lijeva:

• Prikupljanje podataka(data acquisition), koje se sastoji od mjernog uređaja, kabla do računala, te sustava koji sprema te podatke u računalo
• Pretprocesiranje i pojačavanje signala, koje priprema signal za sljedeći korak
• Ekstrakcija svojstava, koja izolira traženi podatak iz signala primljenog i prerađenog iz mozga, te se taj podatak dalje može koristiti u određenoj aplikaciji kao input
• Translacijski algoritmi, koji koriste ekstrahirane podatke te ih tumače na predodređeni način
• Povratne informacije (Feedback) - svi mogući načini na koje možemo dati povratnu informaciju korisniku, preko aplikacije koju koristi, da li je to npr. pomak miša, pokretanje zvuka ili vibracije, Važno je da korisnik može doživjeti tu povratnu informaciju.

2. INSTALACIJA

Skinuti instalacijske datoteke za BCI2000 se može na službenoj stranici Schalk Laba [3], no kao što je tamo opisano, potrebno je izraditi poseban račun te prihvatiti uvjete korištenja. Nakon toga treba potvrditi račun preko e-maila, te je tek onda omogućeno skidanje datoteka. Pokretanjem .exe datoteke lako i brzo se instalirava sustav. Potrebno je samo odabrati odredišni direktorij koji će sadržavati dodatne informacije i razne batch (.bat) i .exe datoteke korištene za pokretanje raznih komponenti sustava.

3. STRUKTURA I KOMPONENTE SUSTAVA

Slika 3.1. Funkcionalni moduli i sučelja BCI2000 sustava 

BCI2000 sustav se u svojoj osnovi sastoji od 4 programske komponente (modula). Redom, to su Source module, Signal processing module, User application module, Operator module. Svaki od njih se može zasebno pokrenuti određenom skriptom, no postoji i launcher skripta koja ih sve može pokrenuti sa određenim parametrima nakon postavljanja u grafičkom sučelju. Svaki modul obavlja svoj posao te se sljedeći modul nadovezuje na njega, osim Operatora koji nadzire cijeli proces te manipulira parametrima. Svi moduli osim Operatora se zajednički nazivaju Core modulima, ili jezgrenim modulima.

Kao što je na slici 3.1. prikazano, komunikacija između jezgrenih modula se uvijek odvija jednosmjerno kako se događa tok podataka i akcije nad njima, dok se komunikacija između bilo kojeg od jezgrenih modula i operatora odvija dvosmjerno. Ta komunikacija omogućava mjenjanje konfiguracije, kao i prikaz podataka – prikupljenih i prerađenih [5].
 

Slika 3.2. Simulacija upravljanja kuglom uz pomoć Mu signala

Slika 3.2. prikazuje sve komponente u funkciji. Pošto je svaka od komponenti pomični prozor, ovdje su posloženi jedan do drugoga radi štednje prostora.

Donji, široki prozor predstavlja operatora, Source signal prozor predstavlja izvor podataka koje dobivamo iz pojačala, te iscrtava ulazni signal. Timing prozor predstavlja podatke prerađene iz ulaznog signala (Signal processing).

4. PRIMJERI KORIŠTENJA

BCI2000 dolazi sa unaprijed pripremljenih i isprogramiranih nekoliko primjera na kojima se može isprobati i testirati sustav.

4.1. Simulirani Mu ritam

Mu ritam je jedan od signala mozga koji je pogodan za BCI komunikaciju pošto ima relativno stabilnu frekvenciju, te su promjene lako primjetne. Taj ritam ima izvor u površinskom dijelu mozga koji se proteže od uha do uha preko vrha glave, te je uglavnom vezan za motoričke i osjetilne funkcije. Kada nema podražaja niti planiranja podražaja ili pokreta signal je gotovo konstantan.

Na slici 3.2 prikazan je ovaj primjer u funkciji. Ovaj primjer funkcionira tako da se modificiraju vrijednosti snimljenog ulaznog signala u odnosu na poziciju miša, te se tako simulira podražaj na zamišljenom mozgu(snimljenom signalu). Preradom signala dobiva se približni podatak u kojem smjeru želimo pomicati loptu, te se nakon par sekundi lopta kreće u tom približnom smjeru.

4.2. P300 speller

P300 speller je kompliciraniji primjer i aplikacija kojeg osobno nisam isprobao no zato prilažem video [6] koji prikazuje rad. Za rad sa spellerom potrebna je oprema za mjerenje moždane aktivnosti.

P300 speller radi tako da su slova i znakovi poslagani u 2D matricu preko ekrana, te u određenom redosljedu se dešava bljeskanje stupaca i redaka naizmjenično i nepravilnim redosljedom. Kada zasvijetli stupac ili redak od slova koje korisnik želi ispisati, mozak reagira te uređaj izmjeri podražaj. Nakon nekoliko takvih prolaza, P300 speller ispisuje slovo. Proces takvog ispisa je vrlo spor, no nekim osobama može biti jedini način komunikacije.

5. ZAKLJUČAK

BCI2000 programski paket je jedan već dugogodišnji projekt, već 15ak godina radi na istraživanjima i razvoju sučelja između računala i mozga. Pošto sam po sebi nije namjenjen za obične, svakodnevne korisnike, već prvenstveno za istraživače i znanstvenike, usudio bih se reći da je na taj način mnogo doprinjeo društvu općenito, kao i cjelom BCI području. Na njemu periodično rade mnogi laboratoriji i sveučilišta, te iako nema uglađeno sučelje, služi svrsi i podloga je za testiranje i isprobavanje novih ideja.

Njegov dizajn (Operator i Core moduli) je prilično općenit i sveobuhvatan šta se tiče BCI sustava, te tako omogućava laganu integraciju sa ostalim BCI sustavima, te može se koristiti u kombinaciji sa uglavom svim tipovima senzora, bili oni invazivni, poluinvazivni, ili neinvazivni.

Bavi se problemima i donosi rješenja koja u svojoj konačnici mogu raditi veliku razliku u kvaliteti života određenih osoba sa invaliditetom, kao što su osobe sa ALS-om. Te osobe zbog okolnosti i bolesti gube neke od svojih najvažnijih sposobnosti za doživljaj svijeta i interakciju sa njim, te se uz razvoj ovakve tehnologije zasada barem neke od tih prepreka mogu prebroditi, i to zasada samo do neke mjere, no u budućnosti će se, nadajmo se, ta tehnologija približiti savršenstvu, i dopustiti tim osobama da nesputano komuniciraju sa svojom okolinom.

LITERATURA

[1] Korisnički tutorijal "Uvod u Mu Rhythm", s Wikipedije, http://www.bci2000.org/wiki/index.php/User_Tutorial:Introduction_to_the_Mu_Rhythm

[2] Vidne proteze, MIT Technology Review, http://www.technologyreview.com/news/514081/can-artificial-retinas-restore-natural-sight/

[3] Službene stranice SchalkLaba i BCI200 (dostupan i download sustava), http://www.schalklab.org/research/bci2000

[4] Početna referentna točka za korištenje BCI2000, http://www.bci2000.org/wiki/index.php/User_Tutorial:BCI2000_Tour

[5] BCI2000 tehničke reference, http://www.bci2000.org/wiki/index.php/Technical_Reference:System_Design

[6] P300 speller u akciji, https://www.youtube.com/watch?v=08GNE6OdNcs

[7] Dodatna literatura, http://www.technologyreview.com/news/514081/can-artificial-retinas-restore-natural-sight/

Filip Jurada