Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0140

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0140
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта"
Название доклада
Разработка и создание мозг-машинного интерфейса на основе биометрических каналов управления и мультимодальной обратной связи для обеспечения человека нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции.
Докладчик
Ботман Степан Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
В рамках данного проекта будет разработан и создан мозг-машинный интерфейс на основе биометрических каналов управления и мультимодальной обратной связи для обеспечения человека нейроэлектронными системами и экзоскелетными конструкциями, восполняющими и дополняющими двигательные функции. При этом планируется решение задач по определению признаков двигательной активности в потоке данных, снимаемых устройством контроля электрофизиологических показателей человека в режиме реального времени и повышению точности передаваемых пациентом команд на электронно-механическое исполняющее устройство.
Создание подобных технологий направлено на решение следующих стратегических задач:
- создание научно-технологических основ для дальнейших опытно-конструкторских работ в области производства нейроустройств, предназначенных для регистрации электрофизиологических и биометрических параметров;
- создание уникальной исследовательской среды конвергентных исследований;
- развитие научно-производственного направления «Мозг-компьютерные интерфейсы для передачи целевых команд механическому устройству в виде экзоскелета, предназначенного для замещения и восполнения утраченных двигательных функций».
Результаты заявляемого проекта, которые обещают быть уникальными, позволят в дальнейшем развить центр компетенций мирового уровня по обсуждаемому направлению.
Актуальность и новизна исследования
Важнейшей задачей современного общества является увеличение продолжительности и повышение качества жизни человека, поддержание его высокой работоспособности и интеллектуальной активности. Одна из важнейших перспектив связана с созданием человек-машинных интерфейсов для прямого обмена информацией между мозгом и техническими устройствами. Эти разработки уже сегодня ведут к бурному развитию робототехники, в частности, к использованию подобных интерфейсов в реабилитационной медицине.
Безусловно, мозг-компьютерный интерфейс является наиболее прямым способом передачи команд от человека к машине. На основании вышесказанного можно сделать вывод о высокой степени актуальности исследований в данном направлении. В предлагаемом проекте будет проведена разработка нейроустройства, состоящего из портативного беспроводного телеметрического устройства, предназначенного для регистрации электрофизиологических параметров, таких как: электроэнцефалограмма, электромиограмма, электроокулограмма и биометрических параметров; и специализированного программного обеспечения для обработки данных, получаемых с устройства, с целью создания мозг-компьютерного интерфейса по передаче электрофизиологических сигналов механическому устройству в виде экзоскелета. Ключевой новизной будет являться одновременное сопоставление сразу нескольких методик снятия электрофизиологических параметров, для этого будут проведены разработка и создание специализированного программного обеспечения для АПК, предназначенного для получения, преобразования электрофизиологических сигналов в аппаратные команды, передаваемые на экзоскелет.
Описание исследования

В ходе выполнения ПНИЭР будут решены следующие научно-технические задачи:

1. Определить признаки двигательной активности в потоке данных, снимаемых устройством контроля электрофизиологических показателей человека в режиме реального времени.

Решение данной задачи можно разделить на две составляющие: аппаратную и методическую, другими словами, необходимо получить сигнал, снимаемый электродами и содержащий информацию о двигательных командах пациента, затем разработать программное обеспечение, которое будет проводить комплексный анализ паттернов мозговой и мышечной активности во время работы устройства, и на основе полученных данных создавать алгоритмы для передачи команд на экзоскелет. Разрабатываемый АПК в составе нейроустройства и специализированного программного обеспечения, позволит получить данные электрической активности мозга и мышц с целью преобразования их в команды носимого механического устройства, для этого необходимо решить следующие задачи:

- подобрать оптимальные электроды и систему их крепления на теле пациента;

- определить оптимальный источник питания и режим его работы;

- подобрать оптимальные усилители полезного сигнала и систему фильтрации от внешних шумов.

Для решения методической составляющей необходимо:

- разработать методы обработки снимаемых показаний;

- разработать специализированное программное обеспечение анализа паттернов электрической

активности мозга и мышц согласно существующим стандартам в области обработки медицинских

сигналов и нейробиологии.

2. Повысить точность передаваемых пациентом команд на электронно-механическое устройство.

На данный момент для снятия электрофизиологических сигналов используется один из методов регистрации: ЭЭГ, миограмма или окулограмма, кроме этого, устройства для снятия сигналов электрической активности связаны, как правило, проводами с экзоскелетом. В рамках настоящих ПНИЭР будет разработано устройство, состоящих из носимых, закрепляемых на теле пациента, одновременно работающих, сенсорных систем для снятия ЭЭГ, миограммы и окулограммы (при необходимости) для последующей передачи команды на электронно-механический экзоскелет.

Решение данной задачи будет реализовано в виде ободка/шапочки для ЭЭГ и окулограммы и в виде браслета для миограммы, входящих в состав АПК следующими методами:

- будет разработано эргономичное решение корпуса устройства для удобного ношения на теле пациента каждого устройства, кроме этого будут учтены оптимальные характеристики: размеры, вес дизайн, удобные для использования.

Сложность в обеспечении мобильности пациента является самой главной проблемой и пути её решения следующие:

- разработать схемотехническое решение для снятия электрофизиологических сигналов (ЭЭГ, миограмма, окулограмма);

- разработать схемотехническое решение для определения температуры тела;

- разработать схемотехническое решение для снятия фотоплетизмограммы;

- разработать схемотехническое решение для получения данных о двигательной активности;

- создать программное обеспечение, которое будет производить фильтрацию снимаемого сигнала, что отразится на размерах устройства и поспособствует уменьшению габаритов, не снижая при этом характеристик получаемых сигналов;

- разработать методы и алгоритмы преобразования получаемых сигналов электрофизиологической активности в кинетические команды экзоскелета, т.е. программное обеспечение должно содержать базу данных (набор электрофизиологических паттернов, отвечающих за команды движения), после подключения к экзоскелету будет производиться сравнение базы данных с двигательными алгоритмами электронно-механического устройства.

Разрабатываемый экспериментальный образец нейроустройства будет демонстрировать все разработанные алгоритмы и аппаратные решения в действии для подтверждения заявленных характеристик, что позволит разработать рекомендации по применению нейроустройства и проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание опытного образца мозг-компьютерного интерфейса для управления электромеханическими устройствами».

Результаты исследования
  1. Изготовлен макет устройства для распознавания электрофизиологических сигналов и передачи на экзоскелетные конструкции.
  2. Проведены исследовательские испытания макета нейроустройства в соответствии с разработанными Протоколом и Планом.
  3. Разработан перечень технической документации.
  4. Проведены маркетинговые исследования рынка мозг-компьютерных интерфейсов, на основании которых  разработаны требования к потребительским характеристикам мозг-компьютерных интерфейсов для экзоскелетов.
  5. Проведены прикладные исследования по разработке алгоритмов определения паттернов двигательной активности. Выбрано направление реализации – основным алгоритмом выбран алгоритм на основе k-ближайшего.
  6. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец  нейроустройства, прошедшего 2 итерации проектирования и реализации.
  7. Изготовлены две итерации ЭО нейроустройства, внесены соответствующие правки в последующие имплементацию экспериментальных образцов.
  8. Ведется разработка системы для передачи данных на экзоскелетные конструкции. Признана основной комбинация проводных  и беспроводных каналов управления. В качестве проводной системы выбран RS-485, беспроводной – WiFi и BLE.
  9. Разработаны алгоритмы распознавания паттернов движения на основе алгоритма, вычленяющего паттерны на основе k-ближайшего.
  10. Разработаны алгоритмы цифровой фильтрации данных.
  11. Разработаны алгоритмы для сопоставления снимаемых данных, а также  - протокол обмена данными между сенсорами, актуаторами и управляющими устройствами.
Практическая значимость исследования
В настоящее время рынок положительно реагирует на появление новой продукции - интерфейсы, считывающие активность мозга. Образовались новые ниши при государственной поддержке высокого уровня профильных исследований.
На текущий момент видны как отчетливые перспективы со стороны предложения (развитие технологий), так и явный потенциал со стороны спроса (пользовательские тренды), что вместе обеспечивает возникновение новой, открытой для входа индустрии. Технологии достигли такой критической точки, когда устройства и изделия имеют явный коммерческий потенциал, а научные исследования вокруг данной сферы многократно интенсифицируются.
Разработка принципиально новых когнитивных технологий мозг-компьютер интерфейсов (МКИ) и переход к более сложным алгоритмам работы нейроинтерфейсов, построенных на достижениях в понимании механизмов реализации мозгом когнитивных функций является актуальной научной задачей. Нейроинтерфейсы являются ключевым звеном в этой технической революции, потребность в такого рода инструментах выявлена в большинстве смежных нейроразработках.
Появление современного нейроинтерфейса, которым является разрабатываемый продукт, является закономерным следствием из сложившийся ситуации на рынке нейротехнологических изделий. Комплексное сравнение нейроустройства с аналогами позволяет сделать вывод о его потенциальной востребованности сразу на нескольких сегментах рынка нейротехнологий: нейропротезирование, создание и разработка нейроинтерфейсов, потребительские и игровые нейроинтерфейсы, системы контроля и управления.
Постер

Poster_0140.pptx