В последние годы новые исследования вывели область взаимодействия мозга и компьютера на основе электроэнцефалограммы (ЭЭГ) из младенчества в фазу относительной зрелости с помощью многих продемонстрированных прототипов, таких как инвалидные коляски, управляемые мозгом, клавиатуры и компьютерные игры.
С этой фазой доказывания концепции в прошлом, настало время сосредоточиться на разработке практических BCI технологий, которые можно вывести из лаборатории и использовать в реальных условиях.
В частности, мы сосредоточимся на перспективе улучшения жизни бесчисленного множества людей с ограниченными возможностями посредством сочетания технологии BCI с существующими вспомогательными технологиями (AT). Стремясь к более практическому использованию BCI за пределами лаборатории, в этой статье мы выделяем четыре области применения, в которых люди с ограниченными возможностями могут извлечь большую пользу из достижений в технологии BCI, а именно:
- Коммуникация и контроль
- Замена двигательных функций
- Развлечения
- Восстановление двигательных функций
Мы рассматриваем текущее состояние и возможные будущие разработки, обсуждая при этом основные вопросы исследований в этих четырех областях. В частности, мы ожидаем наибольшего прогресса в развитии таких технологий, как гибридные архитектуры BCI, алгоритмы адаптации "пользователь-машина", использование психологических состояний пользователей для обеспечения надежности и мер доверия BCI, внедрение принципов взаимодействия человека и компьютера (HCI) для повышения юзабилити BCI, а также разработка новых технологий BCI, в том числе более совершенных ЭЭГ-устройств.
Введение
Представьте себе, что вы можете управлять роботом или другой машиной, используя только свои мысли - это причудливое понятие уже давно захватило воображение человечества, а за последнее десятилетие способность фактически обходить обычные каналы связи (т.е. мышцы или речь) между мозгом пользователя и компьютером стала продемонстрированной реальностью. Известные интерфейсы "мозг-компьютер" (BCI), известны в этой области и даже уже появилось несколько ранних прототипов.
BCI контролирует мозговую активность пользователя и преобразует его намерения в команды без активации каких-либо мышц или периферических нервов. BCI как доказательство концепции уже было продемонстрировано в нескольких контекстах:
- вождение робота или инвалидной коляски
- управление протезами
- выбор букв с виртуальной клавиатуры
- просмотр в Интернете
- навигация в виртуальной реальности
- игры
Такой вид BCI является естественным способом расширения человеческих возможностей за счет создания новых связей взаимодействия с внешним миром и особенно актуален в качестве помощи инвалидам.
Центральным принципом BCI является способность различать различные модели активности мозга, каждая из которых связана с определенным намерением или умственной задачей. Таким образом, адаптация является ключевым компонентом BCI, поскольку пользователи должны научиться модулировать свои мозговые волны таким образом, чтобы генерировать различные модели мозга. В некоторых случаях обучение пользователя дополняется машинным обучением с целью выявления отдельных мозговых паттернов, характеризующих умственные задачи, выполняемые пользователем.
Сейчас, когда эта область входит в более зрелую фазу развития, настало время сосредоточиться на разработке практических приложений BCI, направленных на улучшение жизни людей с физическими недостатками. Кроме того, если наша цель - предложить решения для этих людей и расширить их возможности, то BCI должны быть объединены с существующими вспомогательными технологиями (AT), особенно теми, которые они уже используют.
Большинство BCI у человека зависит от неинвазивных сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ), т.е. от электрической активности мозга, записанной с электродов, размещенных на коже головы. Причина в том, что ЭЭГ является практическим методом, если мы хотим довести технологию BCI до большого количества населения. По этой причине, в этом обзоре, мы сосредоточимся на ЭЭГ на основе BCI и как совместить их с АТ. Мы также определяем и рассматриваем некоторые принципы и исследовательские задачи, которые, по нашему мнению, являются фундаментальными для того, чтобы вывести технологию BCI из лаборатории. Эти принципы включают в себя разработку гибридных архитектур BCI (hBCI), разработку алгоритмов адаптации "пользователь-машина", использование психологических состояний пользователей для измерения надежности и уверенности BCI, включение принципов в человеческо-компьютерное взаимодействие (HCI) для повышения удобства использования BCI, а также разработку новой технологии BCI, включая более совершенные ЭЭГ-устройства.
Отметим, однако, что большинство принципов, которые мы здесь выдвигаем, могут быть применены и к другим типам BCI, либо инвазивным (одноразовая активность) или неинвазивный.
В данной работе мы выделяем четыре области применения, в которых вспомогательная технология BCI может оказать реальное, измеримое воздействие на людей с двигательными нарушениями, а именно:
- Коммуникация и контроль
- Замена двигательных функций
- Развлечения
- Восстановление двигательных функций
Остальная часть документа организована следующим образом. Остальная часть этого раздела посвящена исследовательским задачам, стоящим в настоящее время перед вспомогательной технологией, основанной на BCI. Затем в разделах "Коммуникация и управление", "Замена двигателя", "Развлечения" и "Восстановление двигателя" обсуждается каждая из областей применения, и рассматривается современное состояние каждой из них. Наконец, в разделе "Резюме" мы обобщаем основную идею данного обзорного документа.
Продолжение...
