3 Různé způsoby ovládání systému
3.4 Ovládání systému pomocí rozhraní mozku a počítače (BCI)

Ovládání systémů pomocí BCI je jedním z prvních výzev pro budoucí možnosti ovládání systémů.

BCI má mnoho výhod, jako je např. soukromí (bez hlasitých zvuků, bez viditelných gest) a nižší nároky na výpočetní výkon (jen velmi málo dat je zachyceno a zpracováno při porovnávání například s videem).

BCI má v současné době i závažné nevýhody jako třeba nedostatek pohodlí (je potřeba čelenka, náhlavní souprava nebo čepice) a zvýšené duševní úsilí (je nutné "generovat" řídící signály).

image
Koncepční schéma BCI

Obecná schéma jednoduchého systému BCI je znázorněno na obr. 1. První fáze je získání signálu. EEG měří elektrickou aktivitu mozku během synaptických excitací v neuronech. EEG signály jsou zachycovány neinvazivně pomocí elektrod na pokožce hlavy. Po získání signálu musí být signály předzpracovány. Obecně jsou získané signály mozku zkresleny šumem a jinými artefakty způsobenými bio signály nebo vnějšími signály, jako je napájecí vedení atd. Po získání signálů „bez šumu“ jsou ve fázi „zlepšování signálu“ z mozkových signálů extrahovány základní rysy. Nejběžnější metody extrakce rysů používané u signálů EEG zahrnují diskrétní ortogonální transformace. Jakmile jsou extrahovány vhodné rysy, užije se metoda, která klasifikuje signál do požadovaných tříd. Existuje mnoho kategorií klasifikačních technik jako: generativní (Gaussian Mixture Model - GMM), diskriminační (neuronové sítě - Neural Network - NN, podpůrné vektorové stroje - Support Vectormachines - SVM), neparametrické, tj. vzorkové (K nearest neighbor - KNN), atd. Každá technika má své klady a zápory, a proto musí být vybrána na základě požadavků aplikace. Fáze řízení rozhraní mozku a počítače používá klasifikační výstup jako řídicí signál. Přístupy lze rozdělit na: endogenní (založené na samoregulaci mozkových rytmů a potenciálů bez vnějších podnětů) a exogenní (využívá neuronovou aktivitu vyvolanou v mozku vnějším stimulem). Mezi nejčastěji používané metody patří pomalé kortikální potenciály (slowcorticalpotentials- SCP), senzomotorické rytmy, vizuálně evokované potenciály (visualevokedpotentials - VEP) včetně stabilizovaných VEP (steady-stateVEPs - SSVEP) a P300. Jednotlivá zařízení nebo procesy mohou být ovládány pomocí řídicího rozhraní. BCI pomocí senzomotorických rytmů používá Mu mozkové vlny, které představují představy motorických akcí (např. pohyb rukou). Jedná se o endogenní BCI. Naopak SSVEP je exogenní BCI. SSVEP je založen na vlastnosti, že vizuální kortex (kůra) "rezonuje" podle frekvence vizuálního podnětu, který subjekt pozoruje. Tudíž pomocí této metody jsou potřebné např. ovládací tlačítka pohybu na obrazovce, z nichž každý bliká s různou frekvencí. Jak se uživatel dívá na konkrétní tlačítko, signál zaznamenaný na vizuálním kortexu obsahuje tuto frekvenci, takže lze odhadnout, na jaké tlačítko se uživatel dívá. Další často používanou metodou je P300. Je založena na tom, že kladná špička, která se objeví v EEG přibližně 300 ms po prezentaci vzácného/unikátního podnětu. I když zde máme externí stimul, P300 je považován za endogenní BCI, protože špička výskytu nesouvisí s fyzickými atributy stimulu, ale odráží procesy, které se podílejí na hodnocení nebo kategorizaci podnětů.