Идея использования данных электрической активности мозга для во вспомогательных технологиях для людей с ограниченными возможностями далеко не нова, но и сами технологии до недавнего времени отличались такими же ограниченными возможностями. Похоже, специалистам корпрации Toyota удалось сломать этот стереотип.
То, что различные отделы головного мозга отвечают за «свои» специфические функции, знают даже школьники. Моторные нейроны сконцентрированы, в основном, в прецентральной извилине и продуцируют сигналы к мышцам для выполнения движений. Перехват этих сигналов и используется в различных технологиях, призванных помочь человеку с отсутствующей или значительно ограниченной мышечной активностью управлять электронными или механическими устройствами посредством передачи этих сигналов на процессор и от него — к компьютерному монитору, бытовой технике, на силовые приводы инвалидной коляски и т.п.
Однако существенным недостатком этих систем является их «медлительность», т.е. скорость реагирования электронных, электрических и механических устройств на мысленные команды. И если подобный вариант управления освещением в доме или переключение каналов телевизора из-за его медлителительности вызовут лишь раздражение пользователя, то в управлении инвалидной коляской скорость обработки сигнала и его интерпретация в значительной степени влияют на безопасность передвижения в инвалидной коляске — медленная реакция системы на команду может привести к ее опрокидыванию или столкновению.
Специалистам одного из подразделений Toyota, который занимается разработкой BМI-технологий (Brain-Machine Interface, машинно-мозговой интерфейс) — Центра сотрудничества BSI-Toyota (BSI-Toyota Collaboration Center — BTCC) удалось разработать систему, которая использует одну из самых быстрых технологий в мире для управления инвалидной коляской с помощью электрической активности головного мозга. Скорость обработки сигналов — 125 миллисекунд (или 0,125 секунды; одна миллисекунда, или мс, равна 1/1000 секунды).
Используется уже привычный шлем с датчиками для считывания данных электроэнцефалограммы, т.е. технология эта абсолютно неинвазивна, в отличие от тех, где предполагается вживление сенсоров в кору головного мозга.
Основные преимущества новой технологии:
• Команды для плавного левого и правого поворотов и движения вперед в инвалидной коляске обрабатываются каждые 125 миллисекунд, анализируя волновую активность головного мозга с использованием технологии обработки сигнала.
• Результаты анализа данных отображаются на экране в режиме реального времени, что создает возможность связи с пользователем инвалидной коляски для эффективного функционирования.
• Эта технология, как ожидается, будет полезна в сфере реабилитации, а также для физической и психологической поддержки людей, которые не могут использовать обычные инвалидные коляски.
Специалисты BSI-Toyota Collaboration Center при создании этого интерфейса использовали технологию слепого разделения сигналов и пространственно-временно-частотной фильтрации, что и позволило достичь времени отклика в всего лишь 125 мс, (для сравнения: в других подобных системах время отклика составляет несколько секунд). При помощи технологий слепого разделения сигналов и пространственно-временно-частотной фильтрации удалось «отфильтровать» сигналы мозга, которые могут быть использованы в управлении инвалидной коляске и подавить ненужные, т.н. «посторонние шумы».
Результаты анализа отображаются на панели так быстро, что пользователю инвалидной коляски даже нет смысла за ними следить, надо просто « мысленно ехать». Эта система обладает способностью адаптироваться к особенностям каждого отдельного пользователя и тем самым позволяет повысить эффективность подаваемых команд. Таким образом, пользователь может быстро «подстроить» систему под себя для максимально эффективной ее эксплуатации. Разработчики утверждают, что процесс обучения управления инвалидной коляской с такой системой займет неделю при занятиях по 3 часа в день. Точность выполнения команд в этой системы, т.е. плавность движения, регулировки скорости, точность поворотов составляют 95%. Такого не удавалось достичь еще никому в мире.
При возникновении внештатных ситуаций (мало ли — вдруг произойдет сбой в системе или времени на исправлений ошибок будет уже недостаточно) в системе предусмотрено экстренная остановка выполнения всех команд — своего рода «стоп-кран». Для этого на щеке закреплен сенсор, который реагирует на движение языка изнутри или мышц щеки.
Разработчиками данной системы рассматривается вопрос увеличение числа команд, а также создание еще более эффективного шлема с системой сухих электродов. До сих пор исследования в этом направлении были связаны в основном с управлением движением механического средства и воображаемых движений, связанных с воображаемой рукой и ногой. Вместе с тем, дальнейшие исследования в этой области будут направлены на то, чтобы эта система могла быть применена к другим типам волн, генерируемых мозгом для выражения различных психических состояний и эмоций.
Истины ради следует отметить, что исследования в этом направлении, в т.ч. и создание машинно-мозгового интерфейса, специалистами корпорации Toyota изначально не преследовали цели помощи людям с ограниченными возможностями. Сама структура BSI-Toyota Collaboration Center создавалась в качестве совместного проекта Toyota Motor Corporation и ее подразделения Toyota Central R&D Labs, Inc. с Genesis Research Institute, Inc. BTCC была создана в 2007 году в рамках масштабного проекта Toyota Motor Corporation по созданию принципиально новых систем управления автомобилем. Создание мащинно-мозгового интерфейса для управления инвалидной коляской, скорее всего, является одним из этапов этого проекта. Наверняка инвалидная коляска является одним из наиболее простых способов испытать систему в работе — на легковой автомобиль ее пока что не установишь, согласитесь, даже учитывая ее превосходство над подобными системами, созданными на сегодняшний момент в мире. С другой стороны, если бы не проект Toyota, то создание подобных систем еще долго было бы из разряда перспективных.
Вряд ли Toyota будет заниматься производством инвалидных колясок, но продать патент на эту разработку кому-то из производителей инвалидных колясок — наверняка. А это уже не концепты, вполне вероятно, что в течение нескольких лет такие машины будут выпускаться серийно. Во всяком случае, надеяться на это можно с большей уверенностью.
Использованы материалы Toyota, RIKEN и medGadget
Фото: Associated Press