رابط مغز و رایانه (BCI) چیست؟

رابط مغز و رایانه (BCI) یک ابزار ارتباطی قدرتمند است که به انسان اجازه می‌دهد رایانه و سایر وسایل الکترونیکی را با فکر کنترل کند. این رابط یک نوع فناوری کمکی است که با استفاده از سیگنال‌های مغزی یک کانال ارتباطی و کنترلی میان کاربران و ماشین‌ها ایجاد می‌کند. با مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

رابط مغز و رایانه (BCI) چیست؟

ویژگی‌ها

مزیت اصلی رابط‌های مغز و رایانه این است که برای مدیریت نیازی به کنترل عضلانی ندارند. در نتیجه، این فناوری گزینه مناسبی برای افرادی است که توانایی حرکت دادن عضلات خود را از دست داده‌اند. رایج‌ترین روش تصویربرداری عصبی برای رابط‌های مغز و رایانه، الکتروانسفالوگرافی (EEG) است که دارای هزینه‌ی نسبتاً کم و وضوح زمانی بالا است.

این سامانه امکان ارتباط میان مغز و ماشین‌های مختلف را فراهم می‌کند. این رابط در سه مرحله اصلی کار می‌کند: ۱)جمع آوری سیگنال‌های مغز؛ ۲)تفسیر آنها؛ ۳)ارسال دستورات به یک ماشین متصل. رابط مغز و رایانه برای کارهای مختلفی مانند نوروفیدبک، بازگرداندن عملکرد حرکتی بیماران معلول، امکان برقراری ارتباط با بیماران قفل شده و بهبود پردازش حسی بکار می‌رود.

جامعه پژوهشی در ابتدا BCIها را با کاربردهای زیست پزشکی توسعه داده است که منجر به دستگاه‌های کمکی می‌شود. رابط‌های مغز و رایانه کاربران ناتوانی را هدف قرار داده‌اند که مشکلات حرکتی یا صحبت کردن دارند. این سامانه بازیابی توانایی حرکتی کاربرانی که از نظر جسمی دچار چالش یا قفل شده‌اند را تسهیل کرده‌ و جایگزین عملکرد حرکتی از دست رفته است.

آینده‌ی امیدوارکننده‌ای که برایBCIها پیش‌بینی شده است، جامعه پژوهشی را تشویق کرده است تا نقش BCI را در زندگی انسان‌های غیرمعلول از طریق کاربردهای پزشکی مطالعه کنند. اکنون دامنه پژوهش‌ها گسترش یافته است تا کاربردهای غیرپزشکی را نیز در برگیرد.

اجزای سامانه BCI

یک سامانه BCI از چهار جزء اصلی تشکیل شده است، دریافت سیگنال، پیش پردازش سیگنال، استخراج ویژگی و طبقه‌بندی. مؤلفه‌ی دریافت سیگنال وظیفه ضبط امواج مغزی و ارسال آنها به بخش پیش پردازش برای بهبود سیگنال و کاهش نویز را بر عهده دارد. مؤلفه استخراج ویژگی، ویژگی‌های متمایزکننده سیگنال بهبود یافته را تولید می‌کند و مقدار داده اعمال شده برای مؤلفه طبقه‌بندی را کاهش می‌دهد. طبقه‌بندی کننده‌ها ویژگی‌های تولید شده را به دستوراتی برای دستگاه ترجمه می‌کنند.

دو نوع رابط مغز و رایانه وجود دارد: غیرتهاجمی و تهاجمی. در فناوری تهاجمی، الکترودها از طریق جراحی مغز و اعصاب در داخل مغز یا روی سطح مغز کاشته می‌شوند. در فناوری‌های غیرتهاجمی، فعالیت مغز با استفاده از حسگرهای خارجی اندازه‌گیری می‌شود.

غیرتهاجمی

در روش‌های غیرتهاجمی، حسگرها روی پوست سر قرار می‌گیرند تا پتانسیل‌های الکتریکی تولید شده توسط روش‌های مختلف مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI)، طیف‌سنجی عملکردی مادون قرمز نزدیک (fNIRS)، مگنتوانسفالوگرافی (MEG) و الکتروانسفالوگرافی (EEG) را اندازه‌گیری کنند. این روش از رویکردی پیروی می‌کند که نیازی به کاشت اشیای خارجی در مغز کاربر ندارد. بنابراین نیازی به جراحی نیست.

مگنتوانسفالوگرافی (MEG) یک روش غیرتهاجمی برای تشخیص میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط جریان‌های الکتریکی در مغز است. در حال حاضر از دستگاه ابررسانای تداخلی کوانتومی (SQUID) برای به دست آوردن سیگنال مغناطیسی خارج از سر استفاده می‌شود.

تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی (fMRI) تغییرات جریان خون مربوط به فعالیت عصبی در مغز را تشخیص می‌دهد. این روش به تعیین ارتباط فعالیت‌ها و مناطق مربوطه‌ی مغز کمک می‌کند که به عنوان مشکل محلی‌سازی منبع شناخته می‌شود. این روش تصویربرداری به این واقعیت بستگی دارد که استفاده از هر قسمت مغز مستلزم افزایش جریان خون در آن ناحیه است. چرا که فعالیت نورونی افزایش می‌یابد و تقاضا برای اکسیژن توسط نورون‌ها بالا می‌رود. هموگلوبین حاوی اکسیژن، خاصیت مغناطیسی دارد. این ویژگی خون موجب ایجاد تفاوت کوچک در سیگنال تشدید مغناطیسی می‌شود.

طیف‌سنجی نزدیک به مادون قرمز عملکردی (fNIRS) یکی دیگر از روش‌های غیرتهاجمی است که دینامیک خون در مغز را برای تشخیص فعالیت عصبی اندازه می‌گیرد. جریان خون را با استفاده از نور مادون قرمز تعیین می‌کند. مزیت این روش ارائه سیگنال‌هایی با وضوح مکانی بالا است.

الکتروانسفالوگرام (EEG) نوسانات ولتاژی را که با فعالیت انتقال عصبی در مغز همراه است برای ثبت فعالیت الکتریکی از روی پوست سر اندازه می‌گیرد. یک دستگاه کلاهک مانند الکترودها را در جای خود نگه می‌دارد. این روش ساده، قابل حمل و مقرون به صرفه است، که آن را برای استفاده تجاری مناسب می‌کند.

تهاجمی

در حالت تهاجمی، حسگرها به طور مستقیم توسط جراحی مغز و اعصاب در ماده خاکستری مغز کاشته می‌شوند. میکروالکترودها در قشر مغز قرار می‌گیرند و فعالیت یک یا چند نورون را اندازه می‌گیرند؛ چه به صورت داخل قشری یا روی سطح قشر مغز. بزرگترین مزیت این روش این است که وضوح زمانی و مکانی بالایی را ارائه و کیفیت سیگنال به دست آمده و نسبت سیگنال به نویز را افزایش می‌دهد.

روش داخل قشری تهاجمی‌ترین روش است که الکترود در زیر سطح قشر مغز کاشته می‌شود. می‌توان با استفاده از یک الکترود یا آرایه‌ای از الکترودها، پتانسیل عمل نورون‌ها را به صورت جداگانه اندازه گرفت. نوک الکترودها بسیار نزدیک به منبع سیگنال قرار می‌گیرند و آرایه‌ها باید برای مدت طولانی پایدار باشند.

الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) یکی دیگر از گزینه‌های تهاجمی است که شامل کاشت شبکه‌ها یا نوارهای الکترودی روی سطح قشر از طریق یک عمل جراحی است.

متأسفانه، تمام روش‌های تهاجمی مشکلات بسیاری به همراه دارند. آنها مستعد ایجاد بافت اسکار هستند که موجب تضعیف سیگنال می‌شود یا ممکن است سیگنال از بین برود؛ زیرا بدن به یک جسم خارجی در مغز واکنش نشان می‌دهد. سازگاری بدن با جسم جدید ممکن است با شکست مواجه شود و عوارض پزشکی ایجاد کند. مشکلات پایداری ایمپلنت و عفونت نیز ممکن است بوجود آید. پس از کاشت، نمی‌توان الکترودها را برای اندازه‌گیری فعالیت در قسمت دیگری از مغز حرکت داد. بنابراین استفاده از روش تهاجمی به تعداد کمی از کاربران معلول محدود شده است. معمولاً روش‌های تهاجمی برای موقعیت‌های فلج بحرانی استفاده می‌شود که به دقت بالاتری از لحاظ مکانی یا زمانی نیاز است.


>>کنترل بازوهای رباتیک بر اساس واقعیت افزوده و رابط مغز و رایانه

>> گامی به سوی نسل آینده سامانه های رابط مغز و رایانه


منبع:  roboticsbiz.com

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است».

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *