Podsumowanie tworzenia obwodu EEG do wykorzystania w projekcie interfejsu mózg-komputer.

Czy wiesz, że możesz grać w gry wideo, używając tylko swojego umysłu ? I nie, to nie jest telepatia ! Okay, pozwólcie, że przeformułuję to nie tylko używając waszego umysłu , ale kilku elektrod , obwodu i wreszcie kodu . Które razem tworzą coś, co nazywa się interfejsem mózg-komputer .

OŚWIADCZENIE ⚠️ Ten obwód jest obecnie naprawiany, a ten projekt można traktować jako „pracę w toku”.

Obwód zostanie ukończony w ciągu najbliższych dwóch tygodni! Sprawdźcie, jak udało się przezwyciężyć problemy końcowe!

Zawartość:

1. Wstęp
2. Tło interfejsów mózg-komputer
3. Budowa obwodu
4. Największe wyzwania podczas procesu tworzenia
5. Kod
6. Wyniki

Interfejsy mózg-komputer są obszarem wykładniczego wzrostu! Jest tak wiele rzeczy, które można stworzyć za pomocą „prostego” obwodu EEG. Czy wiesz, że możesz pisać zdania tylko umysłem? Lub sterować protezą ręki … a nawet sterować laptopem ze swoich marzeń (jednak chyba nie tym obwodem). Teraz idę przed siebie.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, polecam przeczytanie mojego poprzedniego artykułu, w którym przedstawiłem interfejsy mózg-komputer i ich możliwe zastosowania w snach!

Ci, którzy wiedzą, jak działa interfejs mózg-komputer, mogą pominąć następną sekcję. W przeciwnym razie zacznijmy od podstaw!

Tło

Interfejs mózg-komputer, w skrócie BCI , to mechanizm, który rejestruje sygnały z mózgu (wejście) i poprzez kod przekazuje je do mechanicznego/wirtualnego polecenia (wyjście). Gdy dane mózgowe są wyświetlane wizualnie na laptopie, wybrane fragmenty danych mózgowych są konwertowane na dane liczbowe, które można wykorzystać w kodzie. Na przykład oznaki mrugania są jednym z łatwiej dostępnych sygnałów do manipulowania BCI. Podczas mrugania mózg wytwarza aktywność elektryczną, która może być kilka razy większa niż inna aktywność wytwarzana przez mózg, co powoduje wyraźny skok na wykresach.

Jak więc zagrałbyś w grę wideo z tymi danymi lub w tym przypadku przez mrugnięcia? Załóżmy na przykład, że chcesz zagrać w słynną grę offline Chrome o skokach dinozaurów. Kolejnym krokiem jest połączenie danych liczbowych migania z pożądanymi wyjściami, takimi jak skoki w grze Chrome T-Rex. Po wykonaniu kodu i uruchomieniu systemu za każdym razem, gdy twoja fala mózgowa pasuje do danych fali sparowanych z liczbą numeryczną, T-Rex podskoczy.

Jednym ze sposobów rejestrowania danych mózgowych jest elektroencefalogram ( EEG), nieinwazyjne podejście wykorzystujące elektrody (metalowe krążki) do dokumentowania różnic w aktywności elektrycznej mózgu. EEG to rodzaj systemu rejestracji, który jest używany w tym projekcie!

Surowe dane EEG mierzone w Hz są podzielone na następujące kategorie:

• Delta (mniej niż 4 Hz): występuje na najgłębszym poziomie snu.
• Theta (4–8 Hz): podczas wysokiego skupienia, medytacji lub świadomości duchowej. Normalne nagrywanie podczas snu.
• Alfa (8–12 Hz): podczas odpoczynku z zamkniętymi oczami, introspekcji, marzeń lub ćwiczenia uważności.
• Beta (13–30 Hz): gdy mózg jest aktywnie zaangażowany.
• Gamma (powyżej 30 Hz): może pojawiać się impulsywnie podczas fazy REM lub gdy mózg jest na czymś bardzo skupiony. To są najszybsze wytwarzane fale mózgowe!

Sygnały danych fal mózgowych muszą być wyraźnie pokazane na laptopie, aby pomyślnie opracować system BCI. Potrzebujemy jakiegoś urządzenia lub obwodu, aby je zwizualizować na laptopie. Mogłem zamówić opaskę taką jak Muse, aby zakończyć ten pierwszy i kluczowy etap. Chciałem jednak poddać się próbie i zamiast tego stworzyć obwód od podstaw .

Aby wykonać obwód, jest to przewodnik Instructables , którego przestrzegałem: DIY EEG (i EKG) Circui t by cah6. Wejście pochodzi z dwóch aktywnych elektrod umieszczonych na nasionie i inionie . Na wyrostku sutkowatym znajduje się trzecia elektroda , która służy jako elektroda uziemiająca. Dla każdego entuzjasty BCI jest to świetna, tańsza alternatywa dla zakupu opaski na głowę. Ponadto wybór budowy obwodu pomaga w pełnym zrozumieniu komponentów BCI.

Materiały użyte do tego projektu:

• Wszystkie komponenty „elektryczne” określone w instrukcjach obejmują różne rezystory, kondensatory, dodatkowe układy scalone, kabel dźwiękowy i przewody połączeniowe.
• Złote elektrody kubkowe firmy Open-BCI (wszystkie inne elektrody powinny działać, o ile są to elektrody kubkowe)
• Laptop: do kodu i podłączenia do obwodu
• Przewodnik instruktażowy

Poniżej schemat całego układu:

Aby uniknąć nieporozumień podczas procesu tworzenia, oto kilka instrukcji niewymienionych w Instructables:

• Aktywne elektrody są podłączone do styków 2 i 3 AD620AN , a elektroda uziemiająca jest podłączona do uziemienia w obwodzie (co widać po dwóch czerwonych liniach na stykach 2 i 3)
• Obszar oznaczony kartą dźwiękową to jeden koniec kabla dźwiękowego, a drugi koniec idzie do laptopa.

Elektrody obwodów muszą być w stanie skutecznie rejestrować aktywność mózgu. W tym celu potrzebujesz kremu przewodzącego lub nawet pasty do elektrod , aby zabezpieczyć elektrody na głowie. Zamiast używać pasty do elektrod, użyłem taśmy elektrycznej i kremu do elektrod przewodzących, aby zabezpieczyć elektrody.

Przy tego rodzaju gromadzeniu danych elektrody są podatne na wychwytywanie dużej ilości szumów , czyli każdego sygnału odbieranego z elektrod, który nie pochodzi z mózgu. Szumy z zapisów EEG mogą pochodzić z ruchów głowy użytkownika, mrugnięć oczu, drgań mięśni i innych. Większość szumów w tym obwodzie będzie wynosiła około 60 Hz . Z tego powodu obwód ma dwa „ filtry wycinające ”, które są filtrami skupiającymi się na redukcji jednej częstotliwości, w tym przypadku sygnałów około 60 Hz .

Obwód ten mierzy głównie fale alfa od 8 do 12 Hz. Fale alfa są zwykle wytwarzane, gdy umysł jest zrelaksowany i coraz częściej, gdy oczy są zamknięte.

Największe wyzwania i zamieszanie podczas procesu

Ten obwód i instrukcje miały przytłaczającą liczbę niedopasowanych błędów. Ukończenie tego projektu zajęło mi 3 razy więcej czasu, niż myślałem.

Ale nie martw się, z tego powodu przeprowadzę Cię przez największe problemy lub niepewności, które odkryłem i mam nadzieję, że zaoszczędzę komuś trochę czasu!

1. Pierwszym i chyba największym problemem jest to, że schematy nie odpowiadają częściom podanym na początku.

To jest schemat tego, jak obwód powinien wyglądać kompletny:

Na pierwszy rzut oka widać, że te dwa obrazy NIE odpowiadają sobie. Na schemacie wykorzystano części wyszczególnione w instrukcji: 2x chipy TL084CN i jeden chip AD620 . Jednak schemat wykorzystuje układy 5x LM358 jako zamiennik układów TL084CN . Teraz powoduje to zamieszanie podczas postępowania zgodnie z instrukcjami. Układ TL084CN ma 7 pinów z każdej strony (w sumie 14), podczas gdy LM358 ma 4 z każdej strony (w sumie 8). Matematyka najwyraźniej nie działa, a chipy mają różne konfiguracje wewnątrz.

Dla odniesienia tutaj jest pinout TL084CN w porównaniu do pinout LM358 :

Aby móc przenieść informacje z LM358 do układu TL084CN, musimy zrozumieć układ pinów. Cokolwiek jest podłączone do styku 3 (dodatniego) na wyjściu LM358, musi być podłączone do styku 3 lub styku 5 (dodatniego) układu TL084CN. Jest to nieco mylące, a zastosowanie innych części pinoutu zajmuje więcej czasu.

2. Drugim problemem było ustawienie prawidłowego połączenia układu z laptopem.

Kabel dźwiękowy jest tym, co ostatecznie tworzy połączenie między dwoma komponentami. Jedna strona kabla jest podłączona do obwodu za pomocą zacisków pazurkowych, a druga ma być wpięta do laptopa.

Używany laptop to Macbook Air (powinien działać z większością laptopów, ale może wymagać dostosowania strategii wprowadzania danych). Nie używaj komputera ani żadnego urządzenia, które jest bezpośrednio podłączone do gniazdka ściennego, aby uniknąć ewentualnych uszkodzeń skóry w przypadku skoku napięcia (nie bój się zranienia! To byłby najgorszy scenariusz ).

Zastosowany kabel to kabel 3,5 TRS. I tu zaczyna się problem…

Kiedy skończyłem obwód i próbowałem podłączyć go do laptopa, nic się nie działo! Byłem przekonany, że mam błąd w obwodzie, dopóki nie wszedłem na youtube i nie zacząłem oglądać filmów, które mi pomogą. Zauważyłem, że z mojego laptopa nie wydobywa się żaden dźwięk i nie mam podłączonych słuchawek Bluetooth. Wtedy zdałem sobie sprawę, że laptop odczytuje obwód jako wyjście dźwięku zamiast wejścia.

Próbowałem eksperymentować z wieloma różnymi sposobami zmiany relacji między dwoma komponentami i użyć ich jako danych wejściowych.

1. Posiadanie konwertera TRS na TRRS dla Macbooka (nieudane)
2. Posiadanie konwertera TRS na USB-C dla Macbooka (nieudane)
3. Próbowano wybrać kabel jako wejście przez Audio-Mimi, jednak pokazywały się tylko wyjścia.

Planuję rozwiązać ten problem w ciągu 2 tygodni i obecnie pracuję razem z nauczycielem, aby pokonać to wyzwanie. Sprawdź później, aby zobaczyć rozwiązanie!

Kod

Aby przetworzyć dane zebrane z obwodu na fale EEG, musimy przekształcić dane w coś wizualnego, coś, co możemy zrozumieć. Kod przetwarza dane zebrane przez obwód i grupuje je w fale mózgowe o różnych częstotliwościach Hz. Aby uruchomić kod, możesz otworzyć Przetwarzanie i pobrać szkic.

Aby zwizualizować dane mózgu, użyłem tego kodu z tapan80048 na GitHub. Kod powinien być całkiem dobry, tak jak jest, jednak aby móc go uruchomić, należy zainstalować bibliotekę „minim”. Z działającym kodem jest to najprostszy krok w całym procesie!

Wyniki!

Pierwszym krokiem jest podłączenie obwodu do laptopa. Upewnij się, że obwód jest włączony, a baterie są prawidłowo podłączone. Następnie podłącz elektrody do inionu, nasion i wyrostka sutkowatego . Po uruchomieniu kodu podczas przetwarzania powinien pojawić się wykres!

Tak wygląda wykres bez odpowiedniego połączenia z obwodem. Kod odbiera obecnie hałas z zewnątrz, aby wyświetlić go na wykresie. Po prawidłowym podłączeniu obwodu wykres zmienia się na bardziej aktywne długości fal, które można wykorzystać do stworzenia interfejsu mózg-komputer (takiego jak gra wspomniana na początku artykułu!).

Bez względu na to, czy projekt zakończył się sukcesem, czy porażką (lub jest w toku!!), wymagana jest refleksja , aby wyciągnąć z niego jak najwięcej.

• Na początku nie byłem do końca pewien, jak mi się to uda. Jak wspomniano powyżej, nie miałem żadnego doświadczenia w inżynierii. Musiałem nauczyć się czytać schematy (a co to w ogóle był schemat!). Mogłem nauczyć się podstaw inżynierii, jak rozumieć, a nawet budować na schematach. To naprawdę niesamowite, jak wielu rzeczy nauczyłem się po drodze. Przejście od braku umiejętności tworzenia obwodów do budowania obwodu od zera! Jeszcze bardziej szalone ulepszenie, na początku tego projektu nie byłem nawet pewien, co mam pisać. Zaskoczyło mnie, że musiałem zainstalować oprogramowanie do kodowania, a nawet pobrać biblioteki, aby kody działały. Zebrałem ogromną ilość wiedzy, ponieważ zdecydowałem się realizować ten projekt i nie mogłem być bardziej zadowolony.
• Nauczyłem się, że nie ma problemu z proszeniem o pomoc ludzi, którzy wiedzą więcej ode mnie. W trakcie tego projektu byłem prowadzony przez nauczyciela w mojej szkole, który spędził dużo czasu, pomagając mi ukończyć obwód. Kiedy pojawiły się problemy z moim kodem, nie wahałem się poprosić kolegów z klasy o pomoc w ich rozwiązaniu. Ważne jest, aby nauczyć się korzystać z umiejętności innych osób, aby pomóc sobie.
• Determinacja, cierpliwość, determinacja, cierpliwość… Nie mogłem tego powiedzieć wystarczająco. Godziny, które spędziłem siedząc przy biurku, rozwiązując problemy z obwodem, były czasami trudne do przebrnięcia. Po tylu powtarzających się sytuacjach uporczywych błędów łatwo się poddać. Wybór, by się nie poddawać, rozwija mentalność danej osoby iz całą pewnością mogę powiedzieć, że mnie to rozwinęło.

Prace cytowane

Instruktaże, cah6. „Zrób to sam obwód EEG (i EKG)”. Instructables , Instructables, 1 grudnia 2022 r.,https://www.instructables.com/DIY-EEG-and-ECG-Circuit/.

Roy Sucholeiki, MD. „Normalne przebiegi EEG”. Przegląd, Częstotliwość, Morfologia , Medscape, 11 marca 2022 r.,https://emedicine.medscape.com/article/1139332-overview.