بررسی تکنولوژی رابط مغز و کامپیوتر (BCI)- الکترو انسفالوگرافی EEG 

0

در مقاله قبلی به توضیحات اجمالی در مورد روش تصویربرداری مگنتوانسفالوگرافی MEG پرداختیم ،در این مقاله به روش تصویربرداری الکترو انسفالوگرافی EEG میپردازیم .با تکینگی همراه باشید.

EEG فعالیتهای الکتریکی مغزی را که  به سبب جریان های الکتریکی طی تحریک های سیناپسی دندریت ها در نرون ها ایجاد می شود را اندازه گیری می کند و به جریان های ثانویه بسیارحساس است. سیگنال های EEG را می توان به راحتی طی روشی غیر تهاجمی از طریق الکترود هایی که در کف سر نصب می شوند ،ثبت نمود. به همین دلیل یکی از رایجترین روش های درمانی است. به هرحال در این روش سیگنال ها باید از پوست سر ،جمجمه وبسیاری لایه های دیگر بگذرندبنابراین کیفیت بالایی ندارند. این بدان معناست که سیگنال هایEEG در الکترود ها ضعیف هستند و به دست آوردن آنها دشوار است و کیفیت ضعیفی دارند. ضمنا این تکنیک به شدت تحت تاثیر صداهای پس زمینه تولید شده چه درون مغز ویا خارج از کف سر قرار می گیرد.

سیستم ثبت EEG متشکل از الکترودها ،دستگاه تقویت کننده ،مبدلA/D و وسیله ثبت است. الکترود ها، سیگنالها را از کف سر جمع آوری و تقویت کننده ها ،سیگنال های آنالوگ (مقیاسی)را پردازش می نمایند تا بتوان دامنه سیگنالهای EEG را شرح وبسط داد، در نتیجه مبدل A/Dقادر می شود تا علائم دریافتی را به شیوه ای صحیح تر دیجیتاله نماید. و بالاخره وسیله ثبت می تواند رایانه ی شخصی یا وسیله ای شبیه آن باشد و اطلاعات را ذخیره و نمایش دهد.

سیگنال های EEG تحت عنوان اختلاف پتانسیل حاصل زمان طی شده بین سیگنال یا الکترود فعال و الکترود مرجع اندازه گیری و قیاس می شود. و الکترود سوم اضافی دیگر که الکترود زمینی شناخته می شود به منظور اندازه گیری ولتاژهای مختلف بین نقاط فعال و مرجع مورد استفاده قرار می گیرد .از این رو پیکر بندی حداقلی برای اندازه گیری EEGمتشکل شده است از یک الکترود فعال ،یک الکترود مرجع و یک الکترود زمینه . پیکر بندی های چند کاناله می تواند بین ۱۲۸ تا ۲۵۶ الکترود فعال را در برگیرد. معمولا این الکترود ها از کلرید نقره ساخته شده اند(Agcl).بهترین مقدار امپدانس تماسی بین الکترود و پوست سر برای ضبط سیگنال دقیق باید بین ۱ تا ۱۰ کیلو اُهم باشد.  رابط الکترود بافتی است که نه تنها غیر هادی است بلکه خازنی است ،از این رو مانند فیلتری با جریانی پایین رفتار می کند . امپدانس به چند عامل بستگی دارد منجمله لایه ی رابط ،منطقه سطح الکترود و دما. ژل مورد استفاده در EEG  مسیری هدایت گر بین پوست و هر یک از الکترود ها ایجاد می کند که سبب کاهش مقاومت در برابر جریان (امپدانس) می شود. استفاده از ژل دست وپاگیر و کند است اما ادامه استفاده از آن متضمن اطمینان از سیگنال نسبتا با کیفیت است. الکترود هایی که نیاز به ژل ندارند الکترود خشک نامیده می شوند و از مواد دیگری مانند تیتانیم و فولاد ضد زنگ ساخته شده اند. ممکن است چنین الکترود هایی ، الکترودهای فعال خشک باشند که دارای مدارهای پیش تقویت شده برای ساز و کار با امپدانس ها  بین الکترود /پوست با جریان بالا باشند یا الکترود های غیر فعال خشک که هیچ مدار فعالی ندارنداما  به سیستم ثبت EEG  با امپدانس ورودی بسیار بالا متصلند.

دامنه سیگنال های الکتریکی در راستای میکرو ولت است . متعاقبا چنین سیگنالی به نویزهای الکتریکی بسیار حساس است. منابع خارجی مانند خطوط نیرو می توانند سبب ایجاد نویز پس زمینه و نویز حرارتی و نوسانی شوند،نویزهای ناگهانی توسط منابع داخلی تولید می شوند. در ملاحضات طراحی بایستی کاهش تاثیرات نویز را در نظر داشت مانند محافظ تداخل امواج الکترومغناطیسی یا کاهش سیگنال رایج معمولی بین امواج دیگر.

EEG مجموعه ای متشکل از سیگنال هایی است که شاید بتوان براساس تناوب طبقه بندی کرد. تناوب های متداول بر اساس توزیع شان در سر و یا اهمیت بیولوژیکشان دسته بندی می شوند. دسته های تناوب را می توان به نام های دلتا ،تتا ، آلفا ،بتا و گاما از کم بسامدترین تا بالاترین آن رده بندی کرد. ویژگی های مربوط به هر یک از این دسته در زیر به شرح آمده است.

امواج دلتا زیر ۴ هرتز قرار دارند ،دامنه سیگنال دلتا در نوزادان  مشاهده میشود که با توجه به سنشون مقدارش کاهش میابد.معمولا ریتم دلتا در خواب عمیق بزرگسالان قابل مشاهده است و مشاهده آن در هنگام بیداری بالغین غیر عادی است. مشاهده مقادیر زیاد از امواج فعال دلتا در بالغین هنگام بیداری غیر عادی بوده و حاکی از بیماری عصبی است. با توجه به فرکانس پایین دلتا به آسانی می‌تواند با سیگنال‌های آرتیفکت ایجاد شده توسط عضلات بزرگ گردن و آرواره اشتباه گرفته شود.

امواج تتا در محدوده ۴ تا ۷ هرتز قرار دارند . در یک فرد بالغ بیدار نرمال، تنها مقدار کمی از فرکانس تتا می تواند ثبت شود. مقادیر بیشتر امواج تتا در کودکان کم سن ،نوجوانان و یا بالغین خواب آلود یا وضعیت های مدیتیشن و یا خواب ثبت می شوند. همانند امواج دلتا ، وجود مقادیر زیاد تتا در بالغین بیدار مربوط به دستگاههای عصبی است. امواج تتا را باید بر تمرکز در مدیتیشن ،دسته گسترد ه ای از فرآیندهای شناختی مانند محاسبات ذهنی ،تقاضای آزمون ماز یا آگاهی هوشمندانه مرتبط دانست.

امواج آلفا در نواحی پس سر مغز دیده می شوند . این امواج در محدوده ۸ تا ۱۲ هرتز قرار دارند. هنگامی که چشمها بسته باشند و بدن در حال استراحت باشد دامنه شان افزایش می یابد و هنگامی که چشمها باز باشند و تلاشی ذهنی صورت گیرد از شدتش کاسته می شود. این امواج در وحله نخست پردازش بصری در منطقه پس سر مغز را منعکس می کنند و می تواند به کارکرد حافظه مغز مرتبط باشد. شواهدی هم حاکی از ارتباط فعالیت آلفا با فعالیت های ذهنی است. افزایش فعالیت ذهنی سبب توقف فعالیت آلفا می شود ،خصوصا از نواحی مربوط به پیشانی . به همین ترتیب چنین ریتم های در اندازه گیری و قیاس فعالیت های ذهنی سیگنال های مفیدی محسوب می شوند. ریتم های “مو” را می توان در همان دامنه ریتم های آلفا یافت ،گرچه تفاوت های فیزیولوژیکی مهمی بین این دو وجود دارد. ریتم های مو در مقایسه با ریتم های آلفا قویا به فعالیتهای حرکتی بستگی دارند و در برخی موارد با ریتم های بتا همبسته هستند.

امواج بتا بین ۱۲ تا ۳۰ هرتز قرار دارند و در نواحی پیشانی  ومرکزی مغز ثبت می شوند و به فعالیتهای حرکتی مرتبطند . امواج بتا طی حرکت های واقعی بدن یا تصور آن نا هماهنگ می شوند. هنگامی که هیچ فعالیت حرکتی نباشد امواج بتا با توزیع نامتقارنشان مشخص می شوند. به هر حال در صورت جنبش های فعال ،امواج بتا ضعیف می شوندو توزیع متقارن آن تغییر می یابد.

امواج گاما فرکانس هایی بین ۳۰ تا ۱۰۰ هرتز دارند. وجود امواج گاما در فعالیت مغزی یک فرد سالم به توابع حرکتی خاص یا ادراک شخص،مربوط می شود. برخی آزمایشات حاکی ازوجود ارتباط بین فعالیت های حرکتی  و امواج گاما در فرد سالم حین بیشترین انقباضات عضلانی دارد. چنین هماهنگی بین دسته امواج گاما طی انقباضات عضلانی ضعیف با امواج هماهنگ گاما جایگزین می شوند .این موضوع حاکی از وجود همبستگی و ارتباط فعالیت های نوسانی بتا یا گامای قشر مخ دارد. مطالعات بسیار ،شواهدی را مبنی بر نقش فعالیت گاما در تفسیر محرک های شنیداری و بصری ارائه می نمایند. ریتم های گاما در EEG هایی که مبتنی بر سیستم های BCIهستند کمتر رایجند ،زیرا اشیایی مانند الکترومیوگرافی (EMG) یا الکتروکولوگرافی (EOG) در این امواج تاثیر گذارند. بااین وجود این محدوده در تحقیقاتBCIتوجه روز افزونی می یابند ،زیرا در مقایسه با امواج مرسوم بتا و آلفا  ممکن است امواج گاما نرخ انتقال اطلاعات را افزایش داده و وضوح و دقت فضایی بالاتری ارائه نمایند.

همان طور که در بالا توضیح داده شد الکترود ها امواج EEG  را ثبت می نمایند . الکترودهایی که بر کف سر نصب می شوند عموما بین ۱۰ تا ۲۰ عدد هستند که از سوی انجمن الکتروانسفالوگرافی  امریکا معیارسازی می شوند .سیستم ۱۰تا ۲۰ از دو نقطه مرجع در سر برای تعیین محل الکترود استفاده می کند.  یکی از نقاط مرجع در بالای بینی هم سطح چشمها قرار دارند . دیگر نقطه مرجع INION است که در برآمدگی استخوانی جمجمه قرار دارد. صفحه های میانی و عرضی جمجمه را از این دو نقطه تقسیم می کنند . محل الکترود با تعین این صفحه ها بین این دو فاصله ۱۰% و ۲۰% مشخص می شوند (شکل۱) .حروف موجود در هر منطقه با نقاط خاص مغز طوری منطبق شده اند که ،  A نشانگر لوب گوش ؛C منطقه مرکزی Pgنقطه نازوفارنژیال،Pآهیانه (جداری)،Fلوب پیشانی،Fpقطب جلو و O نشانه اکسیپیتال است.

شکل ۱

 

در مقاله بعدی به روش تصویربرداری الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) خواهیم پرداخت . با تکینگی همراه باشید.

ممکن است شما دوست داشته باشید بیشتر از نویسنده

دیدگاه بگذارید

اولین کسی باشید که یک دیدگاه ارسال میکند.

Notify of
avatar
wpDiscuz