Проекты

Нейротехнологии и высокотехнологичные протезы. Установка для изучения мозговых сигналов и мышечных реакций

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «IT в медицине, биомедицинские технологии, медицинское приборостроение, бионика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: IT в медицине, Медицинское приборостроение
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1359
Предметы: Физика, Биология, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Цель

Создание установки для изучения мозговых сигналов и мышечных реакций.

Описание

Для создания различных моделей протезов требуется достоверная информация о связи сигналов мозга и мышечных реакций на эти сигналы.

При этом информация должна быть синхронизирована, то есть сниматься и сохраняться одновременно со всех датчиков.

Автор предположил, что если набрать необходимый для анализа объём данных, то можно будет составить шаблоны сигналов мозга, вызывающих заданные движения конечностей. Это позволит, используя шаблоны, разрабатывать управляющие программы для микроконтроллеров манипуляторов (протезов), точно моделирующих движение конечностей человека.

Используя имеющееся оборудование, автор приступил к созданию нейроустановки. В процессе работы автор столкнулся с рядом трудностей и необходимостью дозакупки отдельных компонентов для реализации поставленной цели.

В качестве рабочей нагрузки использовался манипулятор, управляемый при помощи пульта, собранного на базе «Arduino Uno», и написанной для него программы. При его использовании необходимо крутить левый и правый стики. Каждое их движение отвечает за один процесс – наклон вперёд-назад, поворот влево-вправо и сжатие-разжатие клешни.

На другой руке находятся датчики кожно-гальванических реакций, которые позволяют определить эмоциональное состояние испытуемого и считать эту эмоциональную составляющую «шумом» в составе полезного сигнала, разработать на основе таких измерений программный фильтр определённых частот для каждого датчика и отсеять шум из сигнала.

Микроконтроллер «Arduino Mega» с загруженной программой через 2 последовательных порта соединяется с компьютером.

На компьютере открываются 2 экземпляра программы «Битроникс Студио», в каждом экземпляре соединение с Arduino настраивается на «свой» COM-порт: экземпляр 1 служит для отображения сигналов 4 датчиков ЭМГ, экземпляр 2 – для отображения сигналов 3 датчиков ЭЭГ и 1 датчика КГР. Включаются соединение и запись сигналов.

Испытуемый выполняет заранее подготовленное задание по управлению манипулятором, воздействуя на джойстики указательным и средним пальцами руки. Сигналы головного мозга и мышечные реакции на эти сигналы подвергаются визуализации в программе и записываются для дальнейшей расшифровки после синхронизации записей по временным меткам.

Результат

Пробная эксплуатация созданной установки подтвердила, в основном, правильность гипотезы о возможности выработки шаблонов команд для определённых движений.

Оснащение и оборудование

Учебное нейрооборудование «БитрониксЛаб» – российского производителя. Предлагаемые этим поставщиком наборы «Юный нейромоделист» являются совместимыми с микроконтроллерами семейства «Arduino» и ориентированы на использование

в образовательных организациях различного уровня. В их состав входят, кроме микроконтроллера, датчики для снятия следующих сигналов:

- мышечной активности (электромиограммы) ЭМГ;
- сердечного ритма (электрокардиограммы) ЭКГ;
- активности головного мозга (электроэнцефалограммы) ЭЭГ;
- состояния увлажнённости кожи (кожно-гальванической реакции) КГР;
- пульса по наполнению сосудов кровью (плетизмография).

Для отображения результатов исследования используется компьютер с программным визуализатором «Битроникс Студио» второго поколения.

Перспективы использования результатов работы

1. Разработать программу автокалибровки датчиков для индивидуальной коррекции усиления сигналов.
2. Решить задачу сбора статистики измерений.
3. Выработать методику создания шаблонов и произвести эксперименты по управлению манипулятором только с помощью электроэнцефалографических датчиков.

Награды/достижения

Конференция «Потенциал» − диплом II степени.

Фестиваль «НейроБот», конкурс проектов − призёр.

Сотрудничество

ООО BiTronics Lab «БитрониксЛаб»