TGAM нейроинтерфейсный модуль от Neurosky

На рынке можно найти большое число нейроинтерфейсов для индивидуального применения, игрушек использующих сигналы мозга и подобные устройства.
Но большая часть из них основана на одном и том же высоко интегрированном чипе — энцефалографе на одном кристалле, разработанном компанией Neurosky. Готовый ЭЭГ модуль на его основе называется ThinkGear ASIC Module (TGAM). На нем есть необходимое число элементов для запуска и настройки чипа.

Функции основной микросхемы модуля TGAM

Микросхема (TGAT1-L64) является по существу микроконтроллером с интегрированной в него аналоговой частью для получения ЭЭГ сигнала с сухих контактных электродов.

Модуль имеет небольшие размеры 27.9 мм x 15.2 мм x 2.5 мм, поэтому может быть использован в реальных устройствах.
Аналоговая часть имеет фильтр высоких частот, подавляющий сигналы ниже 3 Гц. Это сделано для ускорения настройки электродов после установки, однако срезает часть ЭЭГ сигнала, например дельта диапазона. Кроме того, исказит другие биосигналы, например ЭКГ и ЭОГ. Это отличает его от проекта EasyEEG, так как в нем пропускаются сигналы от 0 Гц. Это не значит, что посторонние сигналы не искажают ЭЭГ, в них есть высокочастотные составляющие, которые могут проникнуть в частотный диапазон микросхемы TGAT.
Также наличие фильтра высоких частот позволило установить высокий коэффициент усиления (порядка 1000), что также отличает его от проекта EasyEEG и EasyEEG BCI, в которых он в 10 раз меньше. Высокая чувствительность не всегда идет на пользу, так как усиливаются не только полезные, но и шумовые составляющие. Поэтому необходимо внимательнее относиться к наличию двигательных артефактов во время использования.
Верхняя граница частот находится на уровне 100 Гц, в которую попадает основная помеха сети (50 или 60 Гц в зависимости от местной электрической сети). Для её подавления включен цифровой режекторный фильтр, частота фильтра выбирается подачей напряжения на определенный пин микросхемы.

В нем также есть 12 битный АЦП для перевода ЭЭГ в цифровую форму с частотой 512 Гц и программа с алгоритмами спектрального преобразования сигнала и нахождения расчетных параметров ЭЭГ:

• delta — мощность дельта диапазона,
• Theta — мощность тета диапазона,
• low apha и high alpha — мощность диапазона альфа1 и альфа2,
• low beta и high beta — мощность диапазона бета1 и бета2,
• gamma — мощность диапазона гамма,
• attention — уровень фокусирования внимания,
• meditation — уровень расслабления, медитации,
• poor signal — уровень искажений сигнала.

Спектральные параметры сигнала, как и расчетные параметры выдаются не в реальном времени, а с частотой примерно 1 раз в секунду. Это надо учитывать, если необходимо управлять скоростным объектом.
Также заявлены другие алгоритмы расчета таких параметров, как сила моргания, умственные усилия при выполнении различных задач, отслеживания процесса обучения, удовлетворенность внешними стимулами, приятные и не приятные эмоции, когнитивная готовность, креативность и бдительность. Но данные параметры не включены в стандартный вывод самой микросхемы, а видимо доступны как библиотека для разработчика ПО.
Но алгоритмы расчета этих параметров в основном закрыты, можно лишь подобрать алгоритм подходящий под вывод того или иного параметра. Например, attention хорошо коррелирует с усредненной суммой high beta + gamma.

Соединение с внешними устройствами

Передача данных происходит по последовательному соединению с частотой 57600 бит в секунду (хотя можно настроить на другие скорости передачи 1200, 9600), подачей питания на определенные пины.

Типовая схема подключения модуля.

Вследствие того, что выдается уже оцифрованный сигнал, то из-за буфера обмена порта, времени работы АЦП и других процессов возникают непредсказуемые задержки в оси времени. В этом состоит один из важных недостатков данного принципа построения системы, ведь тут не остается штатных методов обеспечения синхронизации ЭЭГ с другими такими же модулями (другими каналами ЭЭГ) или внешними событиями (стимулами). Поэтому нельзя организовать некоторые парадигмы нейрокомпьютерных интерфейсов, таких как эффект P300, где требуется синхронизация ЭЭГ с внешним когнитивным стимулом (знак или буква) с высокой точностью (порядка микросекунд). Если сравнить его с принципами EasyEEG, то аналоговый сигнал ЭЭГ можно легко синхронизировать с любыми другими сигналами, в том числе внешними событиями в процессе выполнения АЦП. Как это реализовано в проекте LD.Connect.

Вывод

Если необходим только один канал ЭЭГ без возможности расширения функционала, но с быстрой и удобной установкой электродов, то использование модуля TGAM оправдано. Однако большую свободу в расширении функциональности предоставляет подход проекта EasyEEG.

Достоинства TGAM:

• АЦП выполняется в непосредственной близости к аналоговой части, что снижает риск получить дополнительные радио помехи.
• Быстрый процесс настройки электродов из-за удаления постоянной составляющей сигнала.
• Встроенный расчет спектральных параметров.

Недостатки TGAM:

• Невозможность получения более одного канала ЭЭГ синхронно, а также синхронизировать внешние события
• Подавление дельта диапазона ЭЭГ и искажение некоторых других физиологических сигналов (ЭКГ, ЭОГ)
• Закрытые алгоритмы расчета параметров и обработки сигнала

Видео обзор

Следите за последними новостями этого и других проектов LabData.ru в группе ВК и телеграмм!

(с) Исаков Роман, 2024