Интерфейс без движения дарит пациентам свободу действий
Парализованные больные с нетерпением ожидают массовой совокупности управления предметами силой мысли. инженеры и Учёные наподобие уже неоднократно и не два показывали такие умелые установки в действии. Вот лишь с их серийностью, не говоря уже о массовости, – неприятность.
Три новые разработки, показавшиеся сравнительно не так давно, должны значительно продвинуть работы на данном фронте.
Ранние испытания в области управления инвалидной коляской силой мысли инженеры и учёные ставили ещё в 2003 году. Базировались они на съёмке электроэнцефалограммы (ЭЭГ).
Как уже много раз говорилось, основная трудность тут не в получении сигналов активности клеток, а в том, чтобы выяснить – что именно означают эти сигналы? Не обращая внимания на обилие знаний о мозге, учёные тут всё ещё напоминают слепых мудрецов из старой притчи, взявшихся на ощупь выяснить, что же такое слон? Один нащупал хобот, второй хвост, третий уши, но целой картины, ясно, не получилось.
По второй версии, три слепых слона ощупывали человека, но это не верно уж принципиально важно. В общем, впечатляющие результаты в области мысленных интерфейсов, пока ещё в основном являются результатомэмпирических находок, разрешающих применить пойманные закономерности в узких областях.
«Мозговая шапка», либо легко совокупность крепления наружных электродов, использованная «Тойотой». В целом ничем не отличается от аналогов, применённых в других схожих проектах. Основная изюминка новой разработке – софт.
Обратите внимание, в один момент сигналы снимаются далеко не со всех точек – шапка разрешает переставлять электроды в зависимости от целей того либо иного опыта (фото RIKEN).
Так показалось много прообразов совокупностей помощи калекам: от интерфейса с коляской до мысленного письма. Более того, накопленные знания стали причиной тому, что эта же, по сути, разработка вышла в области, совсем уж далёкие от медицины, наподобие экзотического шоу мозгового оркестра либо кроме того серийной настольной игрушки — мысленного баскетбола.
Но парализованные больные собственного «слона» так и не взяли. И всё, что осталось исследователям, – продолжить поиски лучшего ответа.
Сравнительно не так давно очередной большой ход сделала компания Toyota совместно с университетами японского исследовательского фонда RIKEN. Партнёры представили инвалидное кресло, в полной мере быстро и оперативно управляемое силой мысли. В базе – всё та же шапочка с электродами для снятия ЭЭГ.
Новшества в подробностях.
Инвалидное кресло от «Тойоты» – только прототип. И программа для его управления трудится на простом ноутбуке.
Но в будущем, возможно, всю нужную электронику возможно будет встроить в само кресло (фото RIKEN).
Одна из трудностей аналогичной разработке – электрический шум. Сигналы от клеток мозга измеряются микровольтами и легко перекрываются помехами. Вторая неприятность – точность размещения электродов в главных точках.
При с применением «мозговой шапки» в движении неизбежно появляются маленькие сдвиги данной самой шапки, приводящие к искажению картины.
Это всё складывается с трудностью расшифровки сигналов и умножается на время, нужно компьютеру, дабы правильно трактовать эти. Помнится, в мысленном письме одна буква ставилась 15 секунд. Для перемещения коляски в настоящей обстановке такое промедление непозволительно.
И вот сейчас, как гласит пресс-релиз компании Toyota, японские учёные добились значительного ускорения декодирования сигналов с шапки с электродами.
В новом кресле больной себе желаемое направление перемещения, а совокупность расшифровывает его мозговые сигналы всего за 125 миллисекунд.
Другими словами кресло принимает новую команду каждые 1/8 секунды. Наряду с этим перед глазами человека на экране ноутбука отражается принятое ответ – обратная сообщение оказывает помощь настроиться на необходимый лад. А в следствии на новом кресле возможно хоть слалом между стульев делать.
Наряду с этим по окончании тренировки и наблюдать на экран не требуется – человек чувствует такое кресло как продолжение себя.
Кроме датчиков ЭЭГ испытатель кресла носил датчик выдоха (либо датчик надувания). Он приклеен к щеке. Данный сенсор определяет надутую щёку – сигнал к немедленной остановке.
Сделано это для подстраховки – сенсор перемещения щеки надёжнее технологии считывания мозговых волн, так что может употребляться как катастрофический «стоп-кран» (фото RIKEN).
Недавно Honda усовершенствовала мысленный интерфейс «человек – робот», добавив к ЭЭГ ещё и портативную совокупность инфракрасной спектроскопии. Так, совместив два источника данных, удалось повысить точность понимания мысленных команд человека – она составила 90%.
А вот у кресла «Тойоты», с одним дешифратором ЭЭГ, но скоростным, точность распознавания команд калеки составила 95%. Секрет, как поясняет компания, содержится в новых методах разделения шума и полезного сигнала, и – в некой пространственно-временной фильтрации сигналов мозга.
Японцы собираются довести собственную разработку до использования на практике, и планируют продолжить испытания с расшифровкой мозговых волн, а также отражающих не только желание человека передвинуться правее либо левее, но и информирующих о его чувствах.
Но о сроках внедрения данной разработки её авторы до тех пор пока ничего не информируют. Разумеется, это продолжительный путь усовершенствований и тестов. Может, в клиниках стремительнее покажется вторая разработка управления инвалидным креслом?
Tongue Drive – управление языком. Оно, само собой разумеется, не имеет никакого отношения к чтению мыслей (кроме того такому поверхностному, как в прошлом примере), но для внешнего наблюдателя выглядит совершенно верно так же. А для больного куда серьёзнее, что новый метод несложнее и дешевле ЭЭГ.
Выстроили языковой интерфейс в технологическом университете Джорджии (Georgia Institute of Technology). А сравнительно не так давно данный аппарат прошёл испытания с настоящими больными в медицинском центре Shepherd. И пострадавшие от травмы спинного мозга подчернули, что совокупность Tongue Drive – несложна в освоении и понимании.
Калекам внесли предложение пройти маршрут, включающий до 10 разворотов и поворотов (фото Georgia Tech/Gary Meek).
Трудится совокупность так. На кончик языка приклеивается маленький магнит (размером с зёрнышко риса). Больному надевают наушники, снабжённые беспроводным каналом связи с ноутбуком (последний руководит креслом), и основное – целым комплектом сенсоров магнитного поля, с высокой точностью определяющих перемещение языка во рту.
Так, смещение кончика языка правее либо левее, и выше либо ниже — интерпретируется компьютером как перемещение курсора по экрану (к примеру для навигации по меню), или как команды креслу.
В итоге «языковой» интерфейс одним выстрелом убивает двух зайцев. Одинаковый комплект электроника-софт разрешает калеке руководить компьютером либо собственной электрической повозкой.
Круз Богл (Cruise Bogle), один из испытателей кресла, демонстрирует магнит на языке. За плечами Круза стоят разработчики Tongue Drive Чинь Вэнь Чэн (Chih Wen Cheng), Сюэлян Хо (Xueliang Huo) и основной создатель совокупности — Маисам Хованлу (Maysam Ghovanloo) (фото Georgia Tech/Gary Meek).
Для тренировки языка пользователям предлагали кроме того играться им в компьютерные игры – смещением «языкового курсора» калека должен был как возможно стремительнее совершить точку через лабиринт на экране, либо отбить летящий мячик.
Эти тренировки помогали не только освоить интерфейс, но и распознать индивидуальные предпочтения человека, особенности его анатомии, соответственно – лучше настроить дешифратор перемещений.
Богл и компьютер обучаются верно осознавать друг друга на протяжении исполнения тестовой программы. Кстати, на кадрах с баскетбольной площадкой в кресле кроме этого Круз.
Подробности этого опыта, кстати, изложены в статье в IEEE Transactions on Biomedical Engineering (фото Georgia Tech/Gary Meek).
Потом больным внесли предложение пройти настоящий лабиринт – автостраду, выложенную на баскетбольной площадке. Сперва парализованные испытатели объезжали все препятствия в дискретном режиме. Другими словами «поворот влево – стоп — мало вперёд – стоп — поворот вправо – стоп — ещё вперёд — стоп» и без того потом.
Но по окончании освоения техники «языкового пилотирования» калеки ухитрялись проезжать всю автостраду без остановок, не смотря на то, что и с некоторыми неточностями.
По окончании последовательности опробований с несколькими людьми учёные из политеха Джорджии установили, что средняя скорость при дискретном режиме перемещения составила 5,2 метра в 60 секунд при среднем числе столкновений 1,8. В постоянном режиме скорость увеличилась до 7,7 метра в 60 секунд при среднем числе столкновений 2,5 на один заезд, сообщается в пресс-релизе университета.
Эксперты отмечают, что новая совокупность более лояльна к неточностям, нежели прошлый вариант управления, в котором калека обязан касаться кончиком языка маленькой клавиатуры, закреплённой перед ртом. И новинка более легка в применении.
Прошлым летом, перед тем как дать кресло для опробований больным, американские исследователи удостоверились в надежности сырую ещё тогда разработку на себе. На снимках – Хованлу и Хо (фотографии Georgia Tech/Gary Meek).
Авторы Tongue Drive додают, что их совокупность разрешает машине различать значительно больше различных перемещений языка если сравнивать с использованными сейчас шестью фиксированными положениями. Так что по идее в программу возможно заложить исполнение куда большего числа команд.
В будущем сенсоры магнита возможно будет уменьшить, и они также незаметно впишутся в ротовую полость, информируют учёные. С учётом беспроводной связи с инвалидной коляской таковой интерфейс может оказаться ничем не хуже мозгового.
Но однако так хочется обучиться считывать с мозга много команд. Так как подобное продвижение ккиборгизации для многих людей – путь к более активному общению с миром.
А не забывайте, что мы говорили о недочётах совокупностей ЭЭГ? погрешности и Слабые сигналы в позиционировании не разрешают существенно нарастить тонкость распознавания сложных мыслей.
Имеется альтернатива – помещение электродов конкретно в мозг. Но, во-первых, это сложная и страшная операция, во-вторых – существует риск травмы, которая нарушит ответственные нейронные цепи больного, в-третьих, любое вторжение в мозг – это риск заразы.
И вот сейчас учёные из университета Юты (University of Utah) создали разработку, талантливую совместить тонкость считывания, как у загружённых электродов, с безопасностью практически такой же, как у электродов ЭЭГ, сидящих на несложной шапочке.
Как информирует команда разработчиков в пресс-релизе университета, новинка является массивомлегчайших и практически незаметных несложным глазом микроэлектродов, предназначенных для снятия электрокортикограммы. И основное – помещаются они на поверхность мозга (под черепную коробку), но наряду с этим ни на каплю не погружаются в мозг как такой.
Пучки узких проводков, сгруппированных в зелёный и оранжевый кабели, подходят к узким и прозрачным силиконовым «пластырям»(на снимке они чуть заметны), заполненным массивом микроскопических электродов (фото University of Utah Department of Neurosurgery).
Такие микроэлектроды учёные поместили в определённые территории на поверхности мозга эпилептиков, дабы распознать участки, неверная работа которых провоцирует приступы.
Новые электроды столь мелки, что смогут фиксировать сигналы от совсем маленьких групп клеток, что в будущем разрешит, например, совершить операцию по удалению маленького участка мозгового вещества. А чем меньше будет таковой удаляемый участок, тем лучше.
В опробованиях на добровольцах авторы разработки варьировали расстояние между соседними микроэлектродами в группе, выявляя самая оптимальную расстояние для считывания разных сигналов без перекрёстных помех. Она была равна 2-3 миллиметрам.
Массивы микроэлектродов с нумерацией и масштабом. Вверху: первый больной носил совокупность из двух групп электродов по 16 штук в каждой.
Внизу: второй больной – одна группа из 32 электродов (фотографии Neurosurgical Focus/University of Utah Department of Neurosurgery).
Чтобы распознать, как массив микроэлектродов способен вычленять узкие мозговые сигналы из неспециализированного потока, учёные просили больных поработать с компьютерной мышью, а сами сейчас записывали показания сенсоров, размещённых на поверхности мозга, в зоне, важной за моторику рук.
Компьютерные вычисления продемонстрировали, что точность снятия сигналов высока, дабы машина имела возможность определять перемещение руки по одним лишь показаниям микроэлектродов.
А это значит, что в будущем эта разработка в полной мере может вылиться в киберинтерфейс, разрешающий парализованным больным руководить техникой (либо протезами), немым – говорить посредством синтезатора голоса и без того потом.
Причём микроэлектроды разрешают снимать сигналы с мозга в настоящем времени, что и нужно для для того чтобы рода приложений.
Пускай пройдёт ещё много лет, перед тем как подобная операция станет простой. Но в случае если хотя бы нескольким несчастным такая имплантация облегчит жизнь, возможно заявить, что исследователи старались не напрасно.
