ترکیب هدست‌های VR و EEG

ترکیب فناوری واقعیت مجازی (VR) و اندازه‌گیری‌های الکتروانسفالوگرافی (EEG) پتانسیل فوق‌العاده‌ای در زمینه‌های روان‌شناسی و تحقیقات علوم اعصاب نشان داده است. با این حال، بیشتر دستگاه‌های اندازه‌گیری EEG که در حال حاضر در دسترس هستند، گران‌قیمت، حجیم، ناراحت‌کننده برای استفاده و دشوار برای ادغام با هدست‌های VR هستند. این محدودیت‌ها توسعه زمینه‌های تحقیقاتی مرتبط را مختل کرده است. این مطالعه یک سیستم اندازه‌گیری EEG با هزینه پایین (۶۰.۰۷ دلار)، کوچک، بی‌سیم، با دقت بالا و مصرف انرژی کم با ۴ کانال (Neuro Vista) برای اندازه‌گیری EEG در ناحیه پیشانی توصیف می‌کند که می‌تواند با هدست VR استفاده شود و امکان اندازه‌گیری EEG در محیط‌های VR را فراهم می‌کند. این سیستم دارای نویز ورودی کمتر از ۰.۹۴۸۰ میکروولت ریشه میانگین مربعات (𝜇𝑉𝑟𝑚𝑠)، نسبت رد کردن حالت مشترک بالای ۹۶ دسی‌بل، دقت اندازه‌گیری کمتر از ۰.۱ میکروولت (𝜇𝑉)، پهنای باند ۰.۵ تا ۴۵ هرتز و نرخ نمونه‌برداری ۲۵۰ هرتز است. همچنین از الکترودهای خشک فلزی پشتیبانی می‌کند و شامل یک فیلتر آنالوگ باندپاس داخلی، مدار درایو پای راست و فیلتر دیجیتال پایین‌گذر و فیلتر نوار داخلی است که می‌تواند نویز را هنگام اندازه‌گیری کاهش دهد. محققان می‌توانند سیستم الکترود را برای اندازه‌گیری نواحی مورد نظر خود بر اساس نیازهایشان بازسازی کنند.

از نظر سخت‌افزاری:

نوار مغزی (EEG) یک تکنیک پرکاربرد برای برآورد تغییرات در فعالیت‌های عصبی-فیزیولوژیکی مرتبط با محرک‌های خارجی و یا اجرای وظایف خاص است. از نظر مکانیزمی، وقتی نورون‌های مقیم در مغز تحریک می‌شوند، یک پتانسیل زیستی تولید می‌کنند که می‌تواند توسط الکترودهای دستگاه اندازه‌گیری EEG ثبت شود. این پتانسیل‌ها بازتاب جمع فعالیت‌های پساسیناپتیک در قشر مغز ناشی از نورون‌های قشری همزمان هستند که با عملکردهای مختلفی شامل حرکتی، حسی و شناختی مرتبط هستند.

اخیراً، فناوری واقعیت مجازی (VR) باعث توسعه یک الگوی تحقیقاتی جدید در زمینه نوروفیزیولوژی شده است. واقعیت مجازی یک بستر است که از سخت‌افزارهای تخصصی و بازخورد حسی برای ایجاد یک تجربه مجازی در اطراف کاربر استفاده می‌کند، به طوری که ادراک و حس دنیای مجازی را می‌توان با دنیای فیزیکی مقایسه کرد. واقعیت مجازی می‌تواند به طور موثری مداخلات خارجی را مسدود کرده و ورودی‌های بصری قابل کنترل تری ارائه دهد و به خاطر طبیعت غوطه‌وری‌اش، تحریک هیجانی قوی‌تری را نسبت به محرک‌های سنتی در افراد ایجاد کند. در نتیجه، واقعیت مجازی به طور گسترده‌ای در تحقیقات روانشناسی و علوم شناختی مورد استفاده قرار می‌گیرد و تعداد فزاینده‌ای از محققان تلاش می‌کنند تا تست‌های نوروفیزیولوژیکی را به محیط VR منتقل کنند.

با این حال، اکثر دستگاه‌های اندازه‌گیری EEG موجود، گران، حجیم و ناراحت‌کننده برای استفاده هستند. علاوه بر این، ادغام آنها با تجهیزات VR چالش‌برانگیز است. این محدودیت‌ها پیشرفت تحقیقات در این زمینه را سخت می‌کند. معمولاً دستگاه‌ها به امپدانس(*میزان مخالفت در برابر جریان متناوب) ورودی بسیار بالایی (بیشتر از 10 مگااهم)، نسبت حذف مد مشترک بالا (بیشتر از 80 دسی‌بل) و حداقل نویز ورودی (کمتر از 6 میکروولت پیک-پیک) نیاز دارند. در نتیجه، آن‌ها به پیش‌تنیدگی آنالوگ( analog front-end) با عملکرد بالا و مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال با دقت بالا نیاز دارند که به هزینه بالای آنها کمک می‌کند. همچنین، بسته‌های تراشه‌های پیش‌تنیدگی آنالوگ EEG که به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند، ابعاد نسبتا بزرگی دارند که ادغام آن‌ها در هدست‌های VR را دشوار می‌کند و تجاری‌سازی نتایج تحقیقات را بیشتر محدود می‌کند.

بنابراین، کاوش و استفاده از پیش‌تنیدگی آنالوگ پیشرفته ضروری است. در این مطالعه، ما از یک تراشه اندازه‌گیری پتانسیل زیستی کم‌هزینه – KS1092 استفاده کردیم تا یک سیستم اندازه‌گیری EEG بی‌سیم و کم‌هزینه (Neuro Vista) توسعه دهیم که شامل سخت‌افزار اندازه‌گیری و نرم‌افزار همراه برای ثبت سیگنال‌های EEG 4-channel از ناحیه پیشانی است.

دلیل انتخاب ناحیه پیشانی به این شکل است: قشر پیشانی، به‌ویژه قسمت جلویی قشر پیشانی (prefrontal cortex)، نقش مرکزی در کنترل شناختی و عملکردهای اجرایی دارد. این عملکردها شامل برنامه‌ریزی، تصمیم‌گیری و تنظیم هیجان هستند. به‌عنوان مثال، در یک مطالعه، EEG از ناحیه قشر پیشانی برای غربالگری اختلال شناختی خفیف و زوال عقل خفیف استفاده شده است. بهبود عدم تقارن بین فعالیت آلفای مغز چپ و راست از طریق نوروفیدبک به عنوان یک روش مؤثر برای درمان اختلال افسردگی در نظر گرفته می‌شود. سیستم‌های نظارت بر توجه اغلب از EEG یک کاناله پیشانی استفاده می‌کنند. برای حوزه‌های تحقیقاتی مانند غربالگری عملکرد شناختی و تشخیص اختلالات روانی، یک سیستم 4 کاناله می‌تواند اطلاعات کافی ارائه دهد.

سیستم Neuro Vista با Oculus Quest 2 کار می‌کند و به محققان کمک می‌کند تا آزمایش‌های روانشناسی و علوم اعصاب را در محیط‌های واقعیت مجازی انجام دهند. کل سیستم متن باز است و به محققان این امکان را می‌دهد که آن را طبق نیازهای خاص خود سفارشی کنند.

برای محققان در زمینه علوم اعصاب، تنوع زیادی از دستگاه‌های قابل حمل اندازه‌گیری EEG در بازار موجود است. NeuroVista با ارائه یک رویکرد جدید طراحی سخت‌افزار متن باز که اندازه‌گیری EEG را با دستگاه‌های VR ترکیب می‌کند، متمایز است. شکل زیر چندین پارامتر از دستگاه‌های موجود اندازه‌گیری EEG را مقایسه می‌کند، از جمله تعداد الکترودهای EEG، مکان قرارگیری الکترودها (ثابت یا قابل انعطاف)، دامنه ورودی (mVpp)، نویز ارجاع داده‌شده به ورودی (μVrms)، نرخ نمونه‌برداری (Hz)، دقت (بیت)، پهنای باند (Hz)، پروتکل بی‌سیم، اندازه (میلی‌متر)، وزن (گرم) و قیمت (دلار آمریکا). در دستگاه‌های مشابه، NeuroVista کوچک‌ترین اندازه و کمترین قیمت را دارد.

توضیحات سخت‌افزاری:

سیستم اندازه‌گیری EEG (نورویستا) از سه بخش تشکیل شده: دستگاه اندازه‌گیری EEG، دستگاه VR و نرم‌افزار آزمایش EEG (شکل ۲). دستگاه اندازه‌گیری EEG برای ضبط سیگنال‌های بیوپتانسیل از بدن طراحی شده و اقدام به فیلتر کردن، تقویت و دیجیتالی کردن این سیگنال‌ها به داده‌های دیجیتال می‌کند. این داده‌ها سپس بسته‌بندی شده و از طریق بلوتوث کم‌مصرف (BLE) به کامپیوتر میزبان منتقل می‌شوند. دستگاه VR یک محیط واقعیت مجازی تعاملی برای کاربر ایجاد می‌کند. نرم‌افزار آزمایش EEG به‌طور خاص برای دریافت، نمایش و ذخیره داده‌های منتقل‌شده از دستگاه اندازه‌گیری EEG توسعه یافته است. این نرم‌افزار به محققان یک رابط کاربری دوستانه ارائه می‌دهد تا سیگنال‌های EEG را به‌صورت آنی یا آفلاین تجزیه و تحلیل و مشاهده کنند.

دستگاه اندازه‌گیری EEG نروویستا قادر است سیگنال‌های EEG را از چهار کانال پیشانی اندازه‌گیری کند و یک الکترود مرجع در لاله گوش قرار دارد. به‌علاوه، از یک الکترود به‌چپ پا برای کاهش نویز مشترک در بدن انسان استفاده می‌شود که آن هم در لاله گوش قرار دارد. این دستگاه جمع‌وجور است و ابعاد آن ۴۵ میلی‌متر × ۳۰ میلی‌متر × ۱۲ میلی‌متر است و وزن آن ۳۴ گرم است که این امکان را می‌دهد به راحتی به عینک واقعیت مجازی متصل شود. این دستگاه با یک باتری لیتیوم ۳.۷ ولتی و با ماژول مدیریت توان یکپارچه تغذیه می‌شود و می‌توان به راحتی آن را با شارژر USB type-c 5 V شارژ کرد. با طراحی کم‌مصرف، این دستگاه مصرف انرژی کمتری دارد و پشتیبانی از استفاده مداوم برای بیش از ۲ ساعت با باتری ۲۵۰ میلی‌آمپر ساعت لیتیوم-یونی را فراهم می‌کند.

مسیر انتقال سیگنال EEG یک‌کاناله در شکل زیر نشان داده شده است. این مسیر شامل سه قسمت است: سیستم الکترود، مسیر سیگنال در KS1092، و واحد تبدیل و انتقال سیگنال که شامل یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (AD7682، Analog Devices, Inc.)، یک واحد میکروکنترلر (MCU، STM32F103C8T6، STMicroelectronics N.V.) و یک ماژول بلوتوث کم‌مصرف (BLE106، Jinan USR IOT Technology Ltd. China) است.

اولاً، سیستم الکترود نقش مهمی در تماس مستقیم با پوست دارد تا پتانسیل تفاضلی سطح بدن انسان را جمع‌آوری کند. علاوه بر این، سیستم الکترود مسئول بارگذاری خروجی نویز معمولی معکوس از مدار پای راست بر روی بدن انسان است که باعث کاهش تداخل نویز معمولی می‌شود.

سپس، سیگنال‌های EEG جمع‌آوری شده، با استفاده از KS1092 دریافت، فیلتر و تقویت می‌شوند. KS1092 یک جلوی آنالوگ یکپارچه(integrated analog front end) برای EEG یا دیگر اندازه‌گیری‌های ضعیف بایوپتانسیل است و دارای دو کانال سیگنال تفاضلی می‌باشد. این دستگاه شامل تقویت‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی (PGA)، یک تقویت‌کننده باندپاس ۰.۰۵ تا ۲۰۰ هرتز (BP-AMP)، مدار پای راست (DRL)، یک رابط سری دیجیتال (SPI) و یک رگولاتور داخلی با دقت بالا و افت کم (LDO) می‌باشد. این دستگاه دارای PGA دو مرحله‌ای است که ضریب تقویت کلی آن از ۳۶۰ تا ۲۷۲۰ بار قابل تنظیم است. KS1092 بایوپتانسیل را به سیگنال‌هایی با دامنه بین ۰ ولت تا ۱.۸ ولت تقویت می‌کند. در سیستم NeuroVista، از دو KS1092 برای تشکیل ۴ کانال استفاده می‌شود.

سپس، سیگنال‌هایی که توسط KS1092 خروجی می‌شوند، جمع‌آوری و توسط AD7682 تبدیل می‌شوند. AD7682 به عنوان ADC استفاده می‌شود که یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ۱۶ بیتی و ۴ کانال است که از نوع ثبت تقریبی متوالی (SAR ADC) می‌باشد. AD7682 دارای یک منبع تغذیه مرجع داخلی است که می‌توان آن را بر روی ۲.۵ ولت تنظیم کرد. این امر نیاز به یک منبع ولتاژ مرجع با دقت بالا خارجی را از بین می‌برد.

سیستم NeuroVista دارای یک سیستم مدیریت باتری (BMS) است که بر اساس تراشه BQ24073 طراحی شده، که محصولی از شرکت Texas Instruments (TI) است. کاربران می‌توانند دستگاه را با استفاده از یک آداپتور USB از طریق پورت type-c شارژ کنند. با این حال، مهم است به یاد داشته باشید که شارژ دستگاه باعث ایجاد نویز قابل توجهی در زنجیره سیگنال می‌شود. بنابراین، توصیه می‌شود در حین شارژ دستگاه، از اندازه‌گیری EEG خودداری کنید.

مدل MCU STM32F103C8T6 هست که توسط STMicroelectronics ساخته شده. این میکروکنترلر هسته ARM 32 بیتی Cortex-M3 با فرکانس ۷۲ مگاهرتز داره، ۶۴ کیلوبایت حافظه فلش و ۲۰ کیلوبایت SRAM. همچنین دارای ۳۷ پایه ورودی/خروجی (GPIO) عمومی هست. عملکردهای MCU به شرح زیره:

۱. پیکربندی پارامترهای KS1092 و AD7682.

۲. خواندن نتایج تبدیل AD7682 در زمان‌های مشخص.

۳. انجام پردازش سیگنال‌های دیجیتال بر روی داده‌های EEG که شامل فیلتر کردن پایین‌گذر و فیلتر کردن نوچ میشه.

۴. جمع‌آوری داده‌های EEG و ارسال آن به ماژول BLE از طریق UART، که سپس داده‌ها را به کامپیوتر میزبان منتقل می‌کند.

اجزاء:

1. برد اصلی: برد اصلی با اجزای کلیدی برای اندازه‌گیری EEG تجهیز شده است، از جمله ماژول‌هایی مانند ورودی آنالوگ، مبدل آنالوگ به دیجیتال، میکروکنترلر و BLE. اجزای دیجیتال و تبدیل برق در سمت جلویی قرار دارند، در حالی که اجزای آنالوگ با دقت در سمت پشتی قرار دارند. چیدمان ماژول‌ها در شکل ریز نشان داده شده است.

2. برد شیلد: برد شیلد یک ورق مسی زمین‌دار است که برای ایزوله کردن تابش الکترومغناطیسی خارجی استفاده می‌شود، در حالی که به عنوان پایه‌ای برای برد اصلی عمل می‌کند.

3. پیچ و مهره‌ها: برد اصلی و برد شیلد از طریق براکت‌ها و مهره‌ها به هم وصل می‌شوند.

4. الکترود پارچه نقره‌ای: سطح الکترود از یک لایه پارچه نقره‌ای با الیاف پلی‌استر پر شده است. این ساختار انعطاف‌پذیری عالی را به آن می‌دهد و استفاده‌کنندگان خیلی راحت می‌توانند آن را بپوشند. در پشت الکترود، یک قلاب وجود دارد که می‌توان آن را به کانکتور الکترود ECG وصل کرد.

5. باتری: یک باتری لیتیوم قابل شارژ با ظرفیت ۲۵۰mAh و ولتاژ ۳.۷V. رابط آن یک رابط ۲P با فاصله ۱.۲۵mm است.

6. مجموعه سیم‌های الکترود ۱: این مجموعه سیم‌های الکترود شامل یک الکترود مرجع، یک الکترود DRL و یک الکترود برای کانال ۴ است. الکترودهای مرجع و DRL روی یک گیره‌ای که به لاله گوش وصل می‌شود، قرار دارند و از کلرید نقره ساخته شده‌اند. سیم الکترود برای کانال ۴ از سیم الکترود پزشکی ECG ساخته شده است و دارای شیار در بالا است که امکان اتصال به الکترود پارچه نقره‌ای را می‌دهد. مجموعه سیم‌های الکترود ۱ از طریق یک سوکت ۳.۵ میلی‌متری ۴P به برد اصلی متصل می‌شود.

7. مجموعه سیم‌های الکترود ۲: این مجموعه سیم‌های الکترود شامل الکترودهایی برای کانال ۱، کانال ۲ و کانال ۳ است. سیم‌های الکترود از سیم الکترود پزشکی ECG ساخته شده‌اند و انتهای بالایی دارای شیار است که می‌تواند یک الکترود پارچه نقره‌ای را در خود جای دهد. مجموعه سیم‌های الکترود ۲ از طریق یک سوکت ۳.۵ میلی‌متری ۴P به برد اصلی متصل می‌شود. رابطه بین سوکت صوتی و الکترودها در شکل ۸ نشان داده شده است.

8. نگه‌دارنده VR: یک نگه‌دارنده VR پلاستیکی که برای نگه داشتن هدست VR روی سر استفاده می‌شود. در بازار انواع مختلفی از نگه‌دارنده‌های VR وجود دارد که ویژگی‌ها و طراحی‌های مختلفی را ارائه می‌دهند. توصیه می‌شود یک نگه‌دارنده VR انتخاب شود که بهترین تناسب را با نیازها داشته و خرید آن راحت باشد.

9. اوکولوس کواست ۲: یک هدست VR. محققان می‌توانند هدست VR را مطابق با پلتفرم آزمایشی خود تغییر دهند.

References:

1.Combining VR with electroencephalography as a frontier of brain-computer interfaces: Device

2.A low-cost, wireless, 4-channel EEG measurement system used in virtual reality environments – PMC