آموزش طراحی سیستم‌های واسط مغز-رایانه (BCI)

سیستم BCI چیست؟

سیستم‌های واسط مغز-رایانه (BCI) پل ارتباطی مستقیم بین مغز انسان با رایانه هستند. در این سیستم‌ها، فرد فقط با فکر و تصور کردن می‌تواند یک سامانه مثل ویلچر را کنترل کند. رایانه با پردازش سیگنال الکتریکی مغز (EEG) متوجه می‌شود که فرد به چه چیزی فکر کرده است و دستور متناسب با تصور فرد را اجرا می‌کند. این سیستم‌ها در دنیای فردا جایگاه ویژه‌ای خواهند داشت؛ تصور بکنید کلی از کارهای روزمره‌تون رو بتونید فقط با فکر کردن بدون انجام هیچ حرکت فیزیکی انجام بدید! جالب نیست؟

سیستم‌های BCI چه کاربردهایی دارند؟

سیستم‌های BCI به عنوان یک کاربرد عمومی می‌توانند به منظور افزایش سرعت انجام کارها و راحت‌تر شدن زندگی روزمره ایفای نقش کنند اما امروزه جایگاه اختصاصی‌تری دارند؛ در دنیای امروز از سیستم‌های BCI اکثراً برای کمک به افراد ناتوان استفاده می‌شود. برای مثال افرادی که توانایی راه رفتن و همچنین حرکت دادن دست‌های خود را ندارند می‌توانند با فکر کردن یک ویلچر را کنترل کنند و یا افرادی که نمی‌توانند صحبت کنند و گویایی خود را از دست داده‌اند، می‌توانند با فکر کردن به جمله‌ی مورد نظر خود، رایانه را از گفته‌ی خود آگاه سازند و سپس رایانه با گفتن جمله‌ی مورد نظر به صورت صوتی، جمله‌ی فرد را برای مخاطب گویا کند. 

در این دوره چی یاد می‌گیریم؟

در این دوره اساس کار با EEG را فرا می‌گیرید؛ از پیش‌پردازش و فیلتر کردن نویزها تا استخراج ویژگی و طبقه‌بندی. در این دوره به صورت مرحله به مرحله اجزای یک سیستم BCI را یاد می‌گیریم و طراحی می‌کنیم تا به یک سیستم BCI مطلوب برسیم. دادگانی که با آن‌ها کار می‌کنیم، دادگان BCI Competition iv است و این دادگان شامل چهار کلاس هستند که ما باید بتونیم این چهار کلاس رو جداسازی کنیم و در نهایت  به دستورهای عملی در یک سیستم اجرایی تبدیل کنیم. ساده‌تر بگم! قراره یک سری EEG که از قبل در اختیار ما قرار دادن رو پردازش بکنیم و بفهمیم که هر فرد به چه چیزی فکر کرده است. در این دوره تمرکز بر پردازش سیگنال است و به همین دلیل خیلی از اصول استفاده شده مختص سیستم‌های BCI نیست؛ به عبارت دیگه، کلاً پردازش سیگنال الکتریکی مغزی رو قراره یاد بگیریم و نه صرفاً طراحی یک سیستم BCI، هرچند با پردازش‌هایی که انجام می‌دهیم قراره که به یک سیستم BCI برسیم.

جزییات دوره چیست؟

در این دوره با پردازش دادگان BCI Competition iv یک سیستم BCI کارآمد طراحی می‌شود. این دادگان شامل EEG از نه فرد در چهار کلاس تصور حرکت دست چپ، تصور حرکت دست راست، تصور حرکت هردوپا و تصور حرکت زبان است. در این آموزش پیش‌پردازش دادگان با استفاده از فیلترهای زمانی و مکانی انجام شده است. فیلترهای استفاده شده شامل فیلتر زمانی میان‌گذر و فیلتر میان نگذر جهت حذف نویز برق شهر، و فیلتر مکانی CAR هستند. استخراج ویژگی‌ها استفاده از الگوریتم CSP انجام می‌شود. الگوریتم CSP یک روش محبوب جهت استخراج ویژگی از دادگان تصور حرکت است و در سرتاسر دنیا از آن به منظور استخراج ویژگی استفاده می‌شود. در ادامه، انتخاب ویژگی با استفاده از روش SFFS انجام می‌شود. این روش یکی از روش‌های انتخاب ویژگی برداری ( و نه عددی) است که نتایج طبقه‌بندی را در انتخاب ویژگی‌های بهینه اثر می‌دهد. در نهایت طبقه‌بندی با استفاده از طبقه‌بند LDA که همواره در طبقه‌بندی ویژگی‌های CSP عملکرد خوبی داشته است انجام می‌شود.