Принцип работы экспериментального комплекса НС-1 и краткий перечень оборудования, входящего в его состав

Экспериментальный комплекс НС-1 имеет в своем составе 2 энцефалографа со шлемами на 32 и 136 каналов, соответственно, компьютер для обработки сигналов, мобильные роботы, собранные из конструкторов ТРИК и LEGO Mindstorms NXT, зарядные устройства и вспомогательное оборудование.

Для начала проведения экспериментов с комплексом НС-1 на голове испытуемого в определенных местах с помощью шапочки прикрепляются маленькие электроды, которые соединяются проводами с прибором - электроэнцефалографом. Для получения качественного контакта электродов с кожей головы под электроды наносится электропроводный гель (УНИМАКС). Голова перед проведением исследования должна быть чисто вымыта - это позволит добиться хорошего контакта электродов с кожей головы для получения качественной записи энцефалограммы. Энцефалографы соединяются с компьютером через USB-кабель или Bluetooth, соответственно. Данные, получаемые от энцефалографа, передаются на компьютер для обработки, исследования и построения алгоритмов управления. Обработанные данные выводятся на экран монитора в удобном для испытуемого виде (столбик с изменяющейся высотой, круг с изменяющимся радиусом и т.д.), который, в свою очередь, пытается регулировать размер фигур на экране монитора путем изменения сигналов, поступающих с кожи головы. Также с помощью обработанных сигналов испытуемому предлагается обучиться управлять мобильным роботом. Обработанные сигналы передаются на робота через Bluetooth канал. Таким образом проводится тренинг в парадигме нейрообратной связи.

Программное обеспечение стенда

Для считывания данных с энцефалографа используется специальное программное обеспечение (ПО), которое конвертирует сигналы в LSL-поток (Lab Streaming Layer). Для энцефалографа Mitsar-EEG-SmartBCI на 32 канала используется ПО LSLSmartBCI, а для энцефалографа Нейровизор 136 на 136 каналов – ПО NeoRec.

Реализация программы для обработки и анализа данных из LSL-потока осуществляется на языке программирования Python. Разработанная программа позволяет в автоматическом режиме проводить тренинг в парадигме нейрообратной связи, направленный на нормализацию баланса ритмической активности головного мозга человека. Разработанная программа позволяет составлять протокол тренинга, который далее проводится в автоматическом режиме. Программа осуществляет оценку мгновенной мощности ритма с малой задержкой, что обеспечивает высокую временную специфичность сигнала обратной связи и способно повысить эффективность тренинга. В основе программного обеспечения заложены методики цифровой обработки сигналов и новые методы оценки с малой задержкой огибающей узкополосного процесса.

Реализация программы для обработки данных из LSL-потока и построения алгоритмов управления движением мобильного робота осуществляется в среде Matlab с использованием языка программирования C++.

Перечень основного оборудования экспериментального комплекса НС-1, содержащий наименование и основные характеристики приборов

Ниже приведен основной перечень оборудования экспериментального комплекса НС-1 с основными характеристиками:

Энцефалограф Нейровизор 136

Состав: усилитель NVX136. До 136-ти ЭЭГ каналов. Специальная конструкция для малой восприимчивости к помехам; аккумуляторный модуль. На полном заряде обеспечивает эксперимент до 12-ти часов; медиа-конвертор. Преобразует оптический канал связи от NVX136 в USB интерфейс для компьютера. Управляет цифровыми входами/выходами и синхронизацией от сканера; электродная система. Легкие электроды с sintered Ag/AgCl сенсорами. Инновационный материал для разборного шлема.

Спецификации: Количество каналов – 136; динамический диапазон – не менее ±400 мВ; входное сопротивление / емкость каналов – более 1 ГОм / 30pF max; уровень шума ЭЭГ каналов, приведённый ко входу – менее 0.9 мкВ пик-пик в полосе частот 0,1...30 Гц; погрешность измерения напряжений – не хуже ±0.5%; каналов, подключаемых через разъемы AUX – 8 монополярных канала (4 разъема по 2 канала) или 4 дифференциальных канала (4 разъема по 1 каналу); дополнительный динамический диапазон каналов, подключаемых через разъемы AUX – не менее ±2000 мВ; аналого-цифровое преобразование – 24 бит, дельта-сигма модуляция 6-го порядка с 64-х кратной переоцифровкой, индивидуальный АЦП на каждый канал; частота выдачи данных усилителя (верхняя частота пропускания по уровню -3 дБ) – для 64-х ЭЭГ каналов 100 000 Гц (16 000 Гц) / для всех каналов: 50 000 Гц (16 000 Гц), 25 000 Гц (9 000 Гц), 10 000 Гц (4 900 Гц), 5 000 Гц (1 600 Гц), 2 000 Гц (650 Гц), 1 000 Гц (300 Гц), 500 Гц (160 Гц), 250 Гц (180 Гц); нижняя частота пропускания, формируемая фильтрами в прикладном ПО по уровню -3 дБ устанавливается индивидуально для каждого канала из диапазона 0...100 Гц или выбирается из ряда 0, 0.001, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 5, 10 Гц; верхняя частота пропускания, формируемая фильтрами в прикладном ПО по уровню -3 дБ устанавливается индивидуально для каждого канала из диапазона 5000...1 Гц или выбирается из ряда 500, 300, 100, 70, 50, 30, 20, 10, 5, 1 Гц; триггеров TTL входных / выходных – 8 / 8, гальванически не изолированы от ПК; диапазон измерения межэлектродного импеданса (абсолютная погрешность) – 1...120 кОм (±10%) на частоте 30 Гц; тестовый сигнал ЭЭГ – меандр 200 мкВ (±1%), 1 Гц; вход для внешней тактовой синхронизации АЦП усилителей – 5...100 МГц, 50 Ом, синус / меандр; питание датчиков, подключаемых через разъемы AUX – 5В, ток до 100 мА суммарно с электронным ограничением; соединение усилителя и медиа-конвертера – оптический пластиковый кабель длиной 10 м (опция 25 м); подключение медиа-конвертера к ПК – по интерфейсу USB V2.0 High-speed 480 MBod; питание усилителя – от аккумуляторного модуля 6 В, 7 А•Ч; ток потребления: не более 1400 мА при частоте выдачи данных 25 000...100 000 Гц, не более 500 мА при прочих частотах выдачи данных, менее 3 мА в режиме ожидания; питание медиа-конвертера – от шины USB 5 В; ток потребления до 400 мА в активном режиме, в режиме ожидания до 5 мА; размеры и масса ЭЭГ усилителя – 195x140x35 мм, 1200 гр.; размеры и масса аккумуляторного модуля – 195x140x48 мм, 2500 гр.; размеры и масса аккумуляторного медиа-конвертера – 90x112x58 мм, 300 гр., максимальная мощность 770 Вт, номинальное напряжение 14 В, максимальная сила тока 55 А, частота вращения ротора, соответствующая номинальному напряжению под нагрузкой – 2000 об/мин, 14 В, 35 А.

Энцефалограф Mitsar-EEG-SmartBCI

Состав: беспроводной регистратор «Mitsar-EEG-SmartBCI» (32 канала); чехол для фиксации регистратора на электродном шлеме; адаптер Bluetooth 3.0; электродные системы: МКС-КЭП (Россия), Waveguard™ (Нидерланды); кожаный чехол; кабель для подключения к ПК и заряда батареи.

Спецификации: Число входных аналоговых каналов – 32; встроенный акселерометр; полоса частот – 0(DC)-70 Гц; уровень внутренних шумов – не более 1,5 мкВ (от пика до пика); входной диапазон – ±300 мВ; АЦП – 24 бита; частота дискретизации – 2000Гц с понижением до 250 Гц; контроль импеданса электродов – синхронно с регистрацией ЭЭГ; внутренняя память для записи данных – до 64Гб; интерфейс – Bluetooth 3.0; время регистрации в режиме Холтера ЭЭГ – до 24 часов; питание – от внутренней Li-ion батареи 1000 или 2000 мА/ч; масса регистратора – от 50 до 75 г (зависит от емкости батареи).

Конструктор ТРИК

Комплектация: малая пластиковая коробка; контроллер; блок питания 2А; видеомодуль ("глаз"); мотор-редктор постоянного тока с квадратурным энкодером - 2 шт.; датчик расстояния – УЗ; датчик касания; колесо маленькое - 2 шт.; пассивное колесо; 40 металлических деталей ТРИК для сборки моделей (балки, углы, пластины, адаптеры крепления моторов и пр.). Конструктор необходим для сборки мобильного робота.

Конструктор LEGO Mindstorms NXT

Комплектация: свыше 400 конструктивных деталей для построения сложных и детализированных роботов; микрокомпьютер NXT, оснащенный 4-мя входными портами для сенсоров и 3-мя выходными разъемами для подсоединения исполнительных устройств; датчик звука; сенсоры касания – 2 шт.; ультразвуковой датчик; сенсор, определяющий уровень освещенности; сервомоторы с энкодерами – 3шт. Конструктор необходим для сборки мобильного робота.

Перечень выполняемых типовых работ

1. Синтез алгоритмов временной и пространственной фильтрации сигналов.
2. Синтез алгоритмов для компенсации различного рода задержек при передаче или обработке данных.
3. Построение и исследование моделей ритмов головного мозга.
4. Разработка, проведение и сравнительный анализ методов графического представления различных характеристик ритмов головного мозга.
5. Разработка алгоритмов управления движением мобильного робота при помощи сигналов, получаемых от энцефалографа.
6. Тренинг испытуемого в парадигме нейрообратной связи.

Перечень применяемых методик измерений

Применяемые методики измерений соответствуют стандартным методикам проведения исследования активности головного мозга с помощью электроэнцефалографии.

• Исследование проводят в специально оборудованном кабинете, защищенном от шума и света. В кабинете присутствуют только испытуемый и исследователь.
• Испытуемый удобно устраивается в кресле, на голову ему надевают специальный шлем с электродами. На области соприкосновения электродов с кожей головы должен быть нанесен специальный гель для создания оптимального для исследования сопротивления.
• В начале исследования испытуемый должен выполнять указания исследователя (находиться в расслабленном состоянии / вращать правую (левую) кисть / представлять движения правой (левой) рукой и т.п.) для настройки коэффициентов.

Последующие методики измерений зависят от выбора дальнейшего направления исследования.

Степень уникальности стенда

• Онлайн измерением и обработкой сигналов, поступающих от энцефалографа.
• Выводом интересующих характеристик ритмов головного мозга в удобном для испытуемого виде и их изменением в режиме реального времени.
• Онлайн управлением мобильным роботом с помощью сигналов, поступающих от энцефалографа.
• Исследованием существующих алгоритмов временной и пространственной фильтрации сигналов.
• Программированием алгоритмов управления в программной среде Matlab с использованием языка C++ или на языке Python.

Публикации

1. Осадчий А.Е., Сметанин Н.М., Плотников С.А. Среда для проведения тренинга в парадигме нейрообратной связи // Свидетельство о государственной регистрации ПрЭВМ, рег. №2018611760 от 06.02.2018. – М.: Роспатент, 2018.
2. van Lutterveld R., Houlihan S.D., Pal P., Sacchet M.D., McFarlane-Blake C., Patel P.R., Sullivan J.S., Ossadtchi A., Druker S., Bauer C., Brewer J.A. Source-space EEG neurofeedback links subjective experience with brain activity during effortless awareness meditation // Neuroimage. – 2017. – Vol. 151. – P. 117-127.
3. Okorokova E., Lebedev M., Linderman M., Ossadtchi A. A dynamical model improves reconstruction of handwriting from multichannel electromyographic recordings // Front. Neurosci. – 2015 – Vol. 9:389.
4. Овод И.В., Осадчий А.Е., Пупышев А.А, Фрадков А.Л. Формирование нейрообратной связи на основе адаптивной модели активности головного мозга // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. – 2012. – № 2. – С. 36-41.