Biyomedikal işaret tabanlı kontrol sistem tasarımı
Biomedical signal-based control system design
Yazar: MUSTAFA GÜNER
Danışman: DOÇ. DR. BURCU ERKMEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında günümüz teknolojisiyle beraber gelişmekte olan Beyin Bilgisayar Arayüzünü (BBA) konu alan Elektroensefalografi (EEG) tabanlı bir sistem tasarımı ve uygulamasına yönelik çalışmalar işlenmiştir. Dünya çapında gerçeklenen BBA çalışmaları, klinik ortamlarda teşhis, tanı amacıyla kullanılan masaüstü EEG sistemlerini farklı bir boyuta taşıyarak endüstriyel, savunma ve tüketici elektroniği alanlarında kullanılabilir hale getirmek için çeşitli projeler çerçevesinde yürütülmektedir. Şuan ki konumuyla BBA teknolojisi; yüksek akıl ve komuta kontrol merkezi olan beynin yer aldığı her alanda, yüksek teknoloji içeren projelerin bütünleşik gelişim noktası olarak kabul edilebilir. Çalışma kapsamında prototip ve test amaçlarıyla üç versiyon olarak gerçek zamanlı, taşınabilir, bluetooth etkin BBA donanım tasarımı ve bir adet aktif/pasif kuru elektrot tasarımı gerçekleştirilmiştir. İlk versiyon BBA donanım tasarımı özellik ve içerdiği komponentler bakımından ikinci tasarıma göre daha kompleks olarak tasarlanmıştır. Yapılan test ve performans incelemeleriyle ikinci tasarım ise
daha yalın ve maliyet etkin olarak tasarlanmıştır. Üçüncü versiyon olarak gerçeklenen çalışma önceki tasarımlardan farklı olarak şilt temelinde düşünülerek ve SPI papatya dizimi haberleşme altyapısına bağlı kalınarak mevcut donanımdaki kanal sayısını ikiye katlamak üzere tasarlanmıştır. Bu donanımlarla beraber denek üzerinden EEG sinyallerinin alınması için devre kartı tabanlı aktif/pasif kuru özellikte olan elektrotlar geliştirilmiştir. Yazılım kısmı BBA donanımının çevresel birimlerle uygun şekilde çalışması amacıyla gömülü yazılım ve gerçek zamanlı EEG sinyallerinin analizi ve gözlemlenmesi için ana bilgisayarda koşturulan masaüstü yazılım olarak iki ayrı bölümde geliştirilmiştir. Masaüstü yazılım kısmı ayrıca gelecek BBA tabanlı çalışmalara altyapı oluşturmak için ROS ve Gazebo robot simulasyon platformlarına yönelik bir entegrasyon yazılımı içermektedir. Gerçeklenen çalışmanın test fazında ticari masaüstü bir EEG cihazıyla, geliştirilen BBA sistemi göz açma ve kapama sinyallerinin elde edilmesi noktasında karşılaştırılarak performans değerlendirmesi yapılmıştır. Bu aşamada elektrotlar denek üzerine 10-20 elektrot sistemi referans alınarak her iki donanım için Fp1 ve Fp2 noktalarına kurulmuştur. Ardından her iki donanım vasıtasıyla elde edilen sinyaller ölçümlenerek karşılaştırılmıştır. Değerlendirmeler geliştirilen BBA sisteminin, ticari olan donanıma göre başarılı sonuçlar meydana getirdiğini
göstermektedir. Tezin son kısmında fiziksel bir uygulama gerçeklenmiştir. Uygulama, göz açma ve kapama sinyallerine dayalıdır ve Kale Kilit ve Kalıp Sanayi firması tarafından geliştirilen bluetooth etkin 252EM akıllı kilit içeren bir kapının uzaktan açılmasını hedeflemektedir. Sonuç olarak gerçek zamanlı, taşınabilir, bluetooth etkin özellikler temelinde geliştirilen BBA donanımı ve ilgili yazılım, başarılı sonuçlar sergilemektedir. Tüm
çalışmanın nihayetinde kullanımı kolay, esnek konfigüre edilebilen özelliklere sahip bir sistem tasarlanmış ve özgün yaklaşımla eğitim/ArGe alanında kullanılabilecek seviyede bir çalışma ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this thesis, an Electroencephalogram (EEG)-based system design and application related to the developing Brain Computer Interface (BCI) with today's technology are studied. The worldwide BCI studies are carried out within the
framework of various projects in order to make the desktop EEG systems used in diagnosis in clinical environments to be used in industrial, defense and consumer electronics fields. BCI technology with its current position; It can be considered as an integrated development of high-tech projects in all areas of the brain, which is the high mind and command control center. In scope of The Thesis, As three versions real-time, portable, bluetooth-enabled
BCI hardware design and one active/passive dry electrode design are carried out for prototyping and testing purposes. The first version BCI hardware design is designed to be more complex in terms of features and components than the second design. The second design is designed to be simpler and more cost-effective with test and performance reviews. The third version is designed to double the number of channels in existing hardware by considering the basis of the SPI daisy chain communication infrastructure and different from the previous designs. Along with The hardwares, active/passive dry electrodes with circuit board are developed for receiving the EEG signals from the subject. The software part has been developed  in two separate sections as the desktop software running on main computer for the real-time EEG signal analysis and monitoring and The embedded software is
aimed for the proper functioning of BCI hardware with peripheral units. The desktop software section also includes an integration software for ROS and Gazebo robot simulation platforms to build infrastructure for future BCI-based work. In the test phase of the study, performance evaluation is performed by comparing the developed BCI system with a commercial desktop EEG device at the point of eyes blink signals. At this stage, the electrodes are installed on the subjects at points Fp1 and Fp2 for both equipment with reference to the 10-20 electrode system. Then the signals obtained by both hardware are measured and compared. Evaluations show that the developed BCI system produced successful results according to the commercial equipment. In the last part of the thesis, a physical application is implemented. The application is based on the eyes blink signals and aims to remotely open a door that is included the 252EM smart lock which is produced by Kale Lock and Mold Industry As a result, it is provided that the developed BCI hardware including features such as real-time, portable and bluetooth-enabled and dedicated software exhibit successful performance results. At the end of all the work, a system which features
cost effective, comfortable usage and flex configuration is designed and it is introduced a study to be used on scope of education/R&D with a novel approach.