Применение технологии регистрации вызванных потенциалов в разработке нейроинтерфейса

УДК 616.8-073.7:004.9

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕГИСТРАЦИИ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ В РАЗРАБОТКЕ НЕЙРОИНТЕРФЕЙСА

А.В. Томашвили

В статье идет речь о применении технологии регистрации вызванных потенциалов в разработке нейроинтерфейса. Рассмотрен способ и устройство для регистрации вызванных потенциалов, основанные на использовании самонастраивающегося фильтра, который выделяет из ЭЭГ доминирующий ритм. Обобщен новый материал по исследуемой теме.

Ключевые слова: нейроинтерфейс, биотехническая система, электроэнцефалограмма, вызванный потенциал, самонастраивающийся фильтр, доминирующий ритм.

Наилучшим способом исследования деятельности мозга является электроэнцефалография (ЭЭГ). Биоэлектрическая активность мозга регистрируется с поверхности головы человека или непосредственно коры головного мозга. Фиксируемые сигналы обладают всеми признаками случайного процесса, и, тем не менее, несут в себе информацию о работе множества функциональных систем организма, которые имеют локализацию своих управляющих звеньев в коре головного мозга. Подобные сигналы могут использоваться в процессе управления техническими объектами (например, протез руки и т. п.).

Биотехническая система, в которой управление техническим объектом осуществляется в соответствии с сигналом, снимаемым непосредственно с головного мозга, называется нейроинтерфейс или «интерфейс мозг

- компьютер» (ИМК, англ. ВС1). Технологии ИМК предназначены для передачи мысленных команд напрямую от мозга к внешним приемным или исполнительным устройствам без посредства мышц. Такие системы необходимы для улучшения жизни людей с тяжелыми двигательными и речевыми поражениями, для разработки потенциальных приложений в области нейрореабилитации, мультимедийных коммуникаций, виртуальной реальности и развлечений, в военном деле.

Решающая роль в построении интерфейса «мозг-компьютер» принадлежит способу, которым выделяется ответ мозга на внешний раздражитель. Ввиду индивидуальности таких откликов возникает необходимость предварительной настройки (около двух минут). Такое сравнительно

большое время настройки (хотя оно признано минимальным) необходимо для накопления и осреднения, выделения характерных признаков ответа. При этом фактически исследователь опирается на основную гипотезу метода вызванных потенциалов (ВП) об идентичности ответов на стимул.

Рассматривается новая методика ВП головного мозга: метод реги-

страции и отображения ВП. Методика ВП мозга традиционно проводится способом выделения, усреднения слабых потенциалов биоэлектрической активности мозга при подаче афферентных стимулов во время регистрации ЭЭГ. Виды подаваемых стимулов могут быть как экзогенные - зрительные, слуховые, чувствительные, так и эндогенные - когнитивные. Большим преимуществом методики ВП является ее неинвазивность, единый алгоритм трактовки, информативность.

Сложность регистрации ВП заключается в том, что ответы мозга значительно ниже активности спонтанной ритмики ЭЭГ и других сигналов, но имеют с ними общий спектр. Основным методом, который используется в настоящее время для выделения ВП, является метод синхронного накопления и усреднения [1]. Сущность метода заключается в многократной подаче стимулов и суммации каждого последующего ответа с предыдущими. Вместо методики синхронного накопления часто применяют метод когерентного усреднения, когда ответы не только суммируют, но и делят на число суммаций. После нескольких десятков усреднений соотношение ВП к шуму спонтанной ритмики ЭЭГ достаточно, чтобы достоверно выделить сигнал ВП. К шумам относят все процессы, не связанные со стимулом, которыми могут являться как ритмы спонтанной ЭЭГ, так и различные артефакты (аппаратные и физиологические).

С помощью метода синхронного накопления и когерентного усреднения могут быть выделены различные ответы мозга, связанные со стимулом или с какими-то повторяющимися событиями. В зависимости от вида подаваемого стимула выделяют несколько видов ВП: зрительные, соматосенсорные, слуховые, когнитивные, моторные, тактильные.

Известный способ [2] позволяет получить единичные реализации когнитивных ВП. Альтернативным методом исследования центральной нервной системы (ЦНС) являются психофизиологические исследования, при которых фиксируется время моторной реакции как завершающей стадии психического акта. Методология таких исследований существенно расходится с электрофизиологическими, даже в случае обращения к одной и той же функциональной системе (например, при регистрации когнитивных ВП Р300 испытуемый должен нажимать кнопку, как и при определении сенсомоторной реакции на звуковой стимул).

Среднелатентные зрительные вызванные потенциалы (ЗВП) на вспышку регистрируются на специализированных компьютерных системах (например, «Электроретинограф» фирмы МБН, г. Москва) методом синхронного накопления, когда отрезки ЭЭГ суммируются, начиная с момента подачи вспышки фотостимулятором. Результат получается после 50 - 100 вспышек, поскольку в суммируемых отрезках ЭЭГ присутствует в случайной фазе, и после многократного суммирования стремится к своему математическому ожиданию, т. е. к нулю. При этом ЗВП, имеющие более регулярный характер, накапливаются и становятся заметными, несмотря на

свою малую амплитуду (единицы мкВ). Длиннолатентные ВП, чаще именуемые когнитивными (КВП) или Р300 (по латентности главного положительного пика, возникающего около 300 мс после афферентного стимула), регистрируются, как правило, на других компьютерных системах, имеющих в своем составе аудиостимулятор, а также кнопку для связи с компьютером. Это обусловлено самой методикой выделения Р300: испытуемый должен опознать среди однотонных звуковых стимулов случайным образом возникающие стимулы другого тона, и отреагировать на них нажатием кнопки. В синхронном накоплении участвуют только те отрезки ЭЭГ (25 -50 реализаций), которые следуют за значимым стимулом. В то же время в литературе указывается на возможность регистрировать Р300 на любые другие стимулы [1].

Известны способ и устройство для регистрации КВП [2], основанные на использовании самонастраивающегося фильтра, который выделяет из ЭЭГ доминирующий ритм. При вычитании его из исходного сигнала можно выделить когнитивную составляющую и определить Р300. Такая система не может зарегистрировать ЗВП, поскольку время переходного процесса у нее составляет 0,15 - 0,2 с, и главные компоненты ЗВП - пики К75 и Р100 будут потеряны из-за недоподавления доминирующего ритма.

Известное устройство [2] работает по принципу самонастройки, опорным сигналом служит доминирующий ритм, например, альфа-ритм ЭЭГ. В проводимых нами экспериментах испытуемому предъявляются вербальные и символьные стимулы на экране компьютера. При этом альфа-ритм угнетается, иногда до полного исчезновения. Для выделения из ЭЭГ единичных реализаций ВП предприняты следующие меры:

- в устройство введен блок предварительной настройки;

- используется фильтр низких частот (ФНЧ) вместо полосового.

Представленная система изображена на рис. 1.

Рис. 1. Система диагностики вызванных потенциалов: ФС - фотостимулятор; П - пациент; У - усилитель ЭЭГ; НФ - низкочастотный фильтр; БУ - блок управления; БП - блок переключения; ПУ - пороговое устройство; СФ - сглаживающий фильтр; Р - регулятор

В отличие от полосового фильтра, у фазовой частотной характеристики ФНЧ нет точки перехода через ноль. Поэтому невозможно использовать фазовые детекторы, как в известном устройстве [2]. На рис 2. показана структура цепи, регулирующей частоту среза ФНЧ, в которой коэффициент подавления доминирующего ритма поддерживается на постоянном уровне независимо от индивидуальных особенностей испытуемого.

Рис. 2. Структура цепи регулирования фильтра низких частот: И - интегратор, ДП - датчик пребывания сигнала в положительной фазе, ДМ - датчик пребывания сигнала в отрицательной фазе; СЧ1 - СЧ4 - счетчики интервалов времени; БЛ - блок логики

В качестве ФНЧ используется фильтр Баттерворта третьего порядка с передаточной функцией:

Ж (А) =-------------Ц---------,

(Тр + 1)(Т 2 р 2 + Тр +1) где Т - постоянная времени, с.

Фильтр и регулятор реализуются в цифровом виде, в частности, структура фильтра имеет вид, показанный на рис. 3.

Рис. 3. Структура цифрового фильтра Баттерворта

83

Коэффициенты рекуррентного уравнения ai и bi вычисляются на каждом шаге решения. При работе предлагаемого устройства управляющий сигнал на перестройку фильтра можно сформировать только после прохождения первого полупериода доминирующего ритма, и время регулирования получается несколько больше, чем в известном устройстве [2]. Это не влияет на точность работы устройства, поскольку все равно процесс настройки происходит до предъявления стимула.

Применение предлагаемого устройства, позволяющего одновременно регистрировать единичные реализации зрительных и когнитивных вызванных потенциалов открывает возможность сопоставления сенсорного и когнитивного ответов.

На базе ГУЗ ТО КДЦ «Тульская областная клиническая больница» проводятся экспериментальные исследования (группа состоит из 40 человек) по регистрации указанных реакций при различной когнитивной нагрузке - мысленный счет, определение направления, цвета экрана, размера фигуры, определение скорости. Когнитивный стимулятор, предъявляет пациенту вербальные и знаковые стимулы (например, слова «вверх», «вниз», «влево», «вправо», порядковые числительные, геометрические фигуры и цвета спектра). Часть экспериментальных данных получена. В настоящее время ведется их обработка.

В данной статье представлены новый способ и устройство для регистрации вызванных потенциалов. Предложенный способ позволит увеличить быстродействие распознавания формируемой мозгом команды. Актуальной представляется задача построения нейроинтерфейса на базе описанного устройства.

Список литературы

1. Опыт применения вызванных потенциалов в клинической практике / под ред. В.В. Гнездицкого, А.М. Шамшиновой. М.: АОЗТ «Анти-дор», 2001. 480 с.

2. Жеребцова В. А., Индюхин А.Ф., Соколов Э.М., Хадарцев А. А., Васильев В.П., Морозов В.И. Способ диагностики длиннолатентного вызванного потенциала мозга и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2240036 от 20.11.2004 г.

Томашвили Анна Валерьевна, аспирант, tomashvili anna@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

APPLICATION OF TECHNOLOGY FOR RECORDING EVOKED POTENTIALS IN THE DEVELOPMENT OF NEUROINTERFACES

A.V. Tomashvili

The article deals with the application of technology recording evoked potentials in developing neurointerfaces. The paper considers a method and a device for registration of evoked potentials, based on the use of self-tuning filters, which distinguishes from the EEG dominant rhythm. The new material on the researched theme generalized.

Key words: neurointerface, bioengineering system, electroencephalogram, the evoked potential, the self-tuning filter, the dominant rhythm.

Tomashvili Anna Valeryevna, postgraduate, tomashvili annaamail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ БИНС ПО СИГНАЛАМ СНС

А.В. Прохорцов

Рассмотрена интегрированная система ориентации и навигации (ИСОН) высокоманевренного летательного аппарата (ЛА) с малым временем полета, построенная по разностной схеме комплексирования. Получены аналитические зависимости, дающие наглядное представление о механизме уменьшения погрешностей ИСОН при использовании различных типов коррекции показаний бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) в соответствии с сигналами аппаратуры спутниковой навигационной системы (СНС) и позволяющие оценить степень эффективности различных типов коррекции. Показано, что введение коррекции показаний БИНС по параметрам ориентации летательного аппарата, определенных с помощью СНС, в дополнение к позиционно-скоростной коррекции позволяет либо уменьшить частоту введения коррекции, при сохранении заданной точности, что равносильно увеличению надежности и помехозащищенности ИСОН, либо повысить точность определения координат, при заданном числе коррекций.

Ключевые слова:бесплатформенная инерциальная навигационная система, спутниковая навигационная система, коррекция, координаты, скорость, параметры ориентации, эффективность.

Рассмотрена ИСОН, установленная на ЛА с малым временем полета и предназначенная для определения координат местоположения ЛА в неподвижной нормальной системе координат О0Х8У878. При исследовании работы будем использовать системы координат показанные на рис.1 [1].

В состав ИСОН входит БИНС, построенная на гироскопических датчиках угловой скорости (ДУС) и акселерометрах неинерциального класса, и аппаратура СНС, определяющая координаты, скорость полета и параметры ориентации ЛА, и предназначенная для коррекции показаний