»нтерфейс без движени€ дарит пациентам свободу действий

20.03.2011, 12:30



»нтерфейс без движени€ дарит пациентам свободу действий
„еловек в кресле парализован, между тем он спокойно объезжает преп€тстви€ на "испытательном треке" (фото Georgia Tech/Gary Meek).

ѕарализованные пациенты с нетерпением ждут массовой системы управлени€ предметами силой мысли. ”чЄные и инженеры вроде уже не раз и не два показывали такие опытные установки в действии. ¬от только с их серийностью, не говор€ уже о массовости, Ц проблема. “ри новые технологии, по€вившиес€ недавно, должны существенно продвинуть работы на данном фронте.

–анние опыты в области управлени€ инвалидной кол€ской силой мысли учЄные и инженеры ставили ещЄ в 2003 году. Ѕазировались они на съЄмке электроэнцефалограммы (ЁЁ√).

 ак уже неоднократно говорилось, главна€ трудность тут не в получении сигналов активности клеток, а в том, чтобы пон€ть Ц что именно означают эти сигналы? Ќесмотр€ на обилие знаний о мозге, учЄные тут всЄ ещЄ напоминают слепых мудрецов из древней притчи, вз€вшихс€ на ощупь определить, что же такое слон? ќдин нащупал хобот, другой хвост, третий уши, но целой картины, пон€тно, не получилось.

ѕо другой версии, три слепых слона ощупывали человека, но это не так уж важно. ¬ общем, впечатл€ющие результаты в области мысленных интерфейсов, пока ещЄ по большей части представл€ют собой результат эмпирических находок, позвол€ющих применить пойманные закономерности в узких област€х.

"ћозгова€ шапка", или просто система креплени€ наружных электродов, использованна€ "“ойотой". ¬ целом ничем не отличаетс€ от аналогов, применЄнных в других схожих проектах. √лавна€ изюминка новой технологии Ц софт. ќбратите внимание, одновременно сигналы снимаютс€ далеко не со всех точек Ц шапка позвол€ет переставл€ть электроды в зависимости от целей того или иного опыта (фото RIKEN).

"ћозгова€ шапка", или просто система креплени€ наружных электродов, использованна€ "“ойотой". ¬ целом ничем не отличаетс€ от аналогов, применЄнных в других схожих проектах. √лавна€ изюминка новой технологии Ц софт. ќбратите внимание, одновременно сигналы снимаютс€ далеко не со всех точек Ц шапка позвол€ет переставл€ть электроды в зависимости от целей того или иного опыта (фото RIKEN).

“ак по€вилось немало прообразов систем помощи инвалидам: от интерфейса с кол€ской до мысленного письма. Ѕолее того, накопленные знани€ привели к тому, что эта же, по сути, технологи€ вышла в области, совсем уж далЄкие от медицины, вроде экзотического шоу мозгового оркестра или даже серийной настольной игрушки — мысленного баскетбола.

Ќо парализованные больные своего "слона" так и не получили. » всЄ, что осталось исследовател€м, Ц продолжить поиски лучшего решени€.

Ќедавно очередной крупный шаг сделала компани€ Toyota совместно с институтами €понского исследовательского фонда RIKEN. ѕартнЄры представили инвалидное кресло, вполне живо и оперативно управл€емое силой мысли. ¬ основе Ц всЄ та же шапочка с электродами дл€ сн€ти€ ЁЁ√. Ќовшества в детал€х.

»нвалидное кресло от "“ойоты" Ц лишь прототип. » программа дл€ его управлени€ работает на обычном ноутбуке. Ќо в будущем, веро€тно, всю необходимую электронику можно будет встроить в само кресло (фото RIKEN).

»нвалидное кресло от "“ойоты" Ц лишь прототип. » программа дл€ его управлени€ работает на обычном ноутбуке. Ќо в будущем, веро€тно, всю необходимую электронику можно будет встроить в само кресло (фото RIKEN).

ќдна из трудностей подобной технологии Ц электрический шум. —игналы от клеток мозга измер€ютс€ микровольтами и легко перекрываютс€ помехами. ƒруга€ проблема Ц точность размещени€ электродов в ключевых точках. ¬ случае с применением "мозговой шапки" в движении неизбежно возникают небольшие сдвиги этой самой шапки, привод€щие к искажению картины.

Ёто всЄ складываетс€ с трудностью расшифровки сигналов и умножаетс€ на врем€, необходимо компьютеру, чтобы верно интерпретировать данные. ѕомнитс€, в мысленном письме одна буква ставилась 15 секунд. ƒл€ движени€ кол€ски в реальной обстановке такое промедление непозволительно.

» вот теперь, как гласит пресс-релиз компании Toyota, €понские учЄные добились существенного ускорени€ декодировани€ сигналов с шапки с электродами.

¬ новом кресле пациент просто представл€ет себе желаемое направление движени€, а система расшифровывает его мозговые сигналы всего за 125 миллисекунд.

“о есть кресло принимает новую команду каждые 1/8 секунды. ѕри этом перед глазами человека на экране ноутбука отражаетс€ прин€тое решение Ц обратна€ св€зь помогает настроитьс€ на нужный лад. ј в результате на новом кресле можно хоть слалом между стульев выполн€ть.

ѕри этом после тренировки и смотреть на экран не нужно Ц человек ощущает такое кресло как продолжение себ€.

ѕомимо датчиков ЁЁ√ испытатель кресла носил датчик выдоха (или датчик надувани€). ќн приклеен к щеке. Ётот сенсор определ€ет надутую щЄку Ц сигнал к немедленной остановке. —делано это дл€ подстраховки Ц сенсор движени€ щеки надЄжнее технологии считывани€ мозговых волн, так что может использоватьс€ как аварийный "стоп-кран" (фото RIKEN).

ѕомимо датчиков ЁЁ√ испытатель кресла носил датчик выдоха (или датчик надувани€). ќн приклеен к щеке. Ётот сенсор определ€ет надутую щЄку Ц сигнал к немедленной остановке. —делано это дл€ подстраховки Ц сенсор движени€ щеки надЄжнее технологии считывани€ мозговых волн, так что может использоватьс€ как аварийный "стоп-кран" (фото RIKEN).

Ќе так давно Honda усовершенствовала мысленный интерфейс "человек Ц робот", добавив к ЁЁ√ ещЄ и портативную систему инфракрасной спектроскопии. “ак, совместив два источника данных, удалось повысить точность понимани€ мысленных команд человека Ц она составила 90%.

ј вот у кресла "“ойоты", с одним дешифратором ЁЁ√, но зато скоростным, точность распознавани€ команд инвалида составила 95%. —екрет, как по€сн€ет компани€, заключаетс€ в новых алгоритмах разделени€ полезного сигнала и шума, а также Ц в некой пространственно-временной фильтрации сигналов мозга.

японцы намерены довести свою технологию до практического применени€, а также собираютс€ продолжить опыты с расшифровкой мозговых волн, в том числе отражающих не только желание человека передвинутьс€ правее или левее, но и сообщающих о его эмоци€х.

Ќо о сроках внедрени€ этой разработки еЄ авторы пока ничего не сообщают. ќчевидно, это долгий путь тестов и усовершенствований. ћожет, в клиниках быстрее по€витс€ друга€ технологи€ управлени€ инвалидным креслом?

Tongue Drive Ц управление €зыком. ќно, конечно, не имеет никакого отношени€ к чтению мыслей (даже такому поверхностному, как в предыдущем примере), но дл€ внешнего наблюдател€ выгл€дит точно так же. ј дл€ пациента куда важнее, что новый способ проще и дешевле ЁЁ√.

ѕостроили €зыковой интерфейс в технологическом институте ƒжорджии (Georgia Institute of Technology). ј недавно этот аппарат прошЄл клинические испытани€ с реальными пациентами в медицинском центре Shepherd. » пострадавшие от травмы спинного мозга отметили, что система Tongue Drive Ц проста в понимании и освоении.

»нвалидам предложили пройти маршрут, включающий до 10 поворотов и разворотов (фото Georgia Tech/Gary Meek).

»нвалидам предложили пройти маршрут, включающий до 10 поворотов и разворотов (фото Georgia Tech/Gary Meek).

–аботает система так. Ќа кончик €зыка приклеиваетс€ крошечный магнит (размером с зЄрнышко риса). ѕациенту надевают наушники, снабжЄнные беспроводным каналом св€зи с ноутбуком (последний управл€ет креслом), и главное Ц целым набором сенсоров магнитного пол€, с высокой точностью определ€ющих перемещение €зыка во рту.

“аким образом, смещение кончика €зыка правее или левее, а также выше или ниже — интерпретируетс€ компьютером как перемещение курсора по экрану (например дл€ навигации по меню), либо как команды креслу.

¬ итоге "€зыковой" интерфейс одним выстрелом убивает двух зайцев. ќдин и тот же набор электроника-софт позвол€ет инвалиду управл€ть компьютером или своей электрической повозкой.

 руз Ѕогл (Cruise Bogle), один из испытателей кресла, демонстрирует магнит на €зыке. «а плечами  руза сто€т разработчики Tongue Drive „инь ¬энь „эн (Chih Wen Cheng), —юэл€н ’о (Xueliang Huo) и главный автор системы — ћаисам ’ованлу (Maysam Ghovanloo) (фото Georgia Tech/Gary Meek).

 руз Ѕогл (Cruise Bogle), один из испытателей кресла, демонстрирует магнит на €зыке. «а плечами  руза сто€т разработчики Tongue Drive „инь ¬энь „эн (Chih Wen Cheng), —юэл€н ’о (Xueliang Huo) и главный автор системы — ћаисам ’ованлу (Maysam Ghovanloo) (фото Georgia Tech/Gary Meek).

ƒл€ тренировки €зыка пользовател€м предлагали даже играть им в компьютерные игры Ц смещением "€зыкового курсора" инвалид должен был как можно быстрее провести точку через лабиринт на экране, или отбить лет€щий м€чик.

Ёти тренировки помогали не только освоить интерфейс, но и вы€вить личные предпочтени€ человека, особенности его анатомии, а значит Ц лучше настроить дешифратор движений.

Ѕогл и компьютер учатс€ правильно понимать друг друга в ходе выполнени€ тестовой программы. ћежду прочим, на кадрах с баскетбольной площадкой в кресле также  руз. ƒетали этого эксперимента, кстати, изложены в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering (фото Georgia Tech/Gary Meek).

Ѕогл и компьютер учатс€ правильно понимать друг друга в ходе выполнени€ тестовой программы. ћежду прочим, на кадрах с баскетбольной площадкой в кресле также  руз. ƒетали этого эксперимента, кстати, изложены в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering (фото Georgia Tech/Gary Meek).

ƒалее пациентам предложили пройти насто€щий лабиринт Ц трассу, выложенную на баскетбольной площадке. —начала парализованные испытатели объезжали все преп€тстви€ в дискретном режиме. “о есть "поворот влево Ц стоп — немного вперЄд Ц стоп — поворот вправо Ц стоп — ещЄ вперЄд — стоп" и так далее. Ќо после освоени€ техники "€зыкового пилотировани€" инвалиды ухитр€лись проезжать всю трассу без остановок, хот€ и с некоторыми ошибками.

ѕосле р€да испытаний с несколькими людьми учЄные из политеха ƒжорджии установили, что средн€€ скорость при дискретном режиме движени€ составила 5,2 метра в минуту при среднем числе столкновений 1,8. ¬ непрерывном режиме скорость подн€лась до 7,7 метра в минуту при среднем числе столкновений 2,5 на один заезд, сообщаетс€ в пресс-релизе института.

—пециалисты отмечают, что нова€ система более ло€льна к ошибкам, нежели прежний вариант управлени€, в котором инвалид должен касатьс€ кончиком €зыка крошечной клавиатуры, закреплЄнной перед ртом. » новинка более легка в использовании.

ѕрошлым летом, прежде чем отдать кресло дл€ испытаний пациентам, американские исследователи проверили сырую ещЄ тогда технологию на себе. Ќа снимках Ц ’ованлу и ’о (фотографии Georgia Tech/Gary Meek).

ѕрошлым летом, прежде чем отдать кресло дл€ испытаний пациентам, американские исследователи проверили сырую ещЄ тогда технологию на себе. Ќа снимках Ц ’ованлу и ’о (фотографии Georgia Tech/Gary Meek).

јвторы Tongue Drive добавл€ют, что их система позвол€ет машине различать гораздо больше разных движений €зыка по сравнению с использованными на данный момент шестью фиксированными положени€ми. “ак что по идее в программу можно заложить выполнение куда большего числа команд.

¬ будущем сенсоры магнита можно будет уменьшить, и они тоже незаметно впишутс€ в ротовую полость, сообщают учЄные. — учЄтом беспроводной св€зи с инвалидной кол€ской такой интерфейс может оказатьс€ ничем не хуже мозгового.

Ќо всЄ же так хочетс€ научитьс€ считывать с мозга большое количество команд. ¬едь подобное продвижение к киборгизации дл€ многих людей Ц единственный путь к более активному общению с миром.

ј помните, что мы говорили о недостатках систем ЁЁ√? —лабые сигналы и погрешности в позиционировании не позвол€ют значительно нарастить тонкость распознавани€ сложных мыслей.

≈сть альтернатива Ц помещение электродов непосредственно в мозг. Ќо, во-первых, это сложна€ и опасна€ операци€, во-вторых Ц существует риск травмы, котора€ нарушит важные нейронные цепи пациента, в-третьих, любое вторжение в мозг Ц это риск инфекции.

» вот теперь учЄные из университета ёты (University of Utah) создали технологию, способную совместить тонкость считывани€, как у погружЄнных электродов, с безопасностью почти такой же, как у электродов ЁЁ√, сид€щих на простой шапочке.

 ак сообщает команда разработчиков в пресс-релизе университета, новинка представл€ет собой массив легчайших и почти незаметных простым глазом микроэлектродов, предназначенных дл€ сн€ти€ электрокортикограммы. » главное Ц помещаютс€ они на поверхность мозга (под черепную коробку), но при этом ни на йоту не погружаютс€ в мозг как таковой.

ѕучки тончайших проводков, сгруппированных в зелЄный и оранжевый кабели, подход€т к тонким и прозрачным силиконовым "пластыр€м"  (на снимке они едва заметны), заполненным массивом микроскопических электродов (фото University of Utah Department of Neurosurgery).

ѕучки тончайших проводков, сгруппированных в зелЄный и оранжевый кабели, подход€т к тонким и прозрачным силиконовым "пластыр€м" (на снимке они едва заметны), заполненным массивом микроскопических электродов (фото University of Utah Department of Neurosurgery).

“акие микроэлектроды учЄные поместили в определЄнные зоны на поверхности мозга эпилептиков, чтобы вы€вить участки, неправильна€ работа которых провоцирует приступы.

Ќовые электроды столь малы, что могут фиксировать сигналы от очень небольших групп клеток, что в будущем позволит, к примеру, провести операцию по удалению крошечного участка мозгового вещества. ј чем меньше будет такой удал€емый участок, тем лучше.

¬ испытани€х на добровольцах авторы технологии варьировали рассто€ние между соседними микроэлектродами в группе, вы€вл€€ наиболее оптимальную дистанцию дл€ считывани€ различных сигналов без перекрЄстных помех. ќна оказалась равна 2-3 миллиметрам.

ћассивы микроэлектродов с масштабом и нумерацией. ¬верху: первый пациент носил систему из двух групп электродов по 16 штук в каждой. ¬низу: второй пациент Ц одна группа из 32 электродов (фотографии Neurosurgical Focus/University of Utah Department of Neurosurgery).

ћассивы микроэлектродов с масштабом и нумерацией. ¬верху: первый пациент носил систему из двух групп электродов по 16 штук в каждой. ¬низу: второй пациент Ц одна группа из 32 электродов (фотографии Neurosurgical Focus/University of Utah Department of Neurosurgery).

ƒл€ того чтобы вы€вить, насколько массив микроэлектродов способен вычлен€ть тонкие мозговые сигналы из общего потока, учЄные просили пациентов поработать с компьютерной мышью, а сами в это врем€ записывали показани€ сенсоров, размещЄнных на поверхности мозга, в зоне, ответственной за моторику рук.

 омпьютерные вычислени€ показали, что точность сн€ти€ сигналов достаточно высока, чтобы машина могла определ€ть движение руки по одним только показани€м микроэлектродов.

ј это значит, что в будущем данна€ технологи€ вполне может вылитьс€ в киберинтерфейс, позвол€ющий парализованным пациентам управл€ть техникой (или протезами), немым Ц разговаривать с помощью синтезатора голоса и так далее.

ѕричЄм микроэлектроды позвол€ют снимать сигналы с мозга в реальном времени, что и необходимо дл€ такого рода приложений.

ѕусть пройдЄт ещЄ немало лет, прежде чем подобна€ операци€ станет обычной. Ќо если хот€ бы нескольким несчастным така€ имплантаци€ облегчит жизнь, можно сказать, что исследователи старались не зр€.


 лючевые слова:
электроды в мозгк
кресло
сигналы управлени€
движение
система
RIKEN
интерфейс дл€ человека
технологи€
пациенты
микроэлектрода
будущее
считывани€ мысли
»нформационные роботы
робот
робототехника


¬ернутьс€ в рубрику:

–оботы дл€ св€зи и общени€


≈сли вы хотите видеть на нашем сайте больше статей то кликните ѕоделитьс€ в социальных сет€х! —пасибо!
—мотрите также:

ќбратите внимание полезна€ информаци€.