Texas Instruments Analog Design Contest Biofeedback Device

prof. Antoni Grzanka
inż. Janusz Frączek
mgr inż. Michał Adamski
8.01.2012, Warszawa
Texas Instruments Analog Design Contest
Biofeedback Device
Wstęp
Po raz drugi w historii, światowy potentat w branży elektroniki półprzewodnikowej –
firma Texas Instruments, ogłosiła konkurs konstruktorski na najciekawszy projekt,
wykorzystujący elementy przez nią produkowane. Konkurs był adresowany do
studentów kierunków technicznych i objął całą Europę oraz Afrykę. Do udziału
zgłosiło się 150 zespołów z 30 krajów, w tym dwuosobowy zespół ze Studenckiego
Koła Naukowego Cybernetyki, Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych
Politechniki Warszawskiej, w składzie – Michał Adamski, Janusz Frączek, pod opieką
prof. dr hab. Antoniego Grzanki.
Głównym warunkiem było użycie przynajmniej 3 analogowych układów scalonych
produkcji Texas Instruments lub 2 analogowych i jednego procesora. Projekty były
oceniane pod względem:
-
pomysłu, oryginalności, innowacyjności
inżynierskiego kunsztu, podejścia
stopnia zaawansowania zagadnień analogowych
trafnością doboru elementów i narzędzi
praktycznością
jakością wykonania sprawozdania
Przebieg prac
Postanowiono zgłosić do konkursu urządzenie skonstruowane przez Janusza
Frączka w ramach jego pracy inżynierskiej, a czas na wykonanie projektu poświęcić
na jego pełne uruchomienie, usprawnienie, dodanie nowych funkcji i
przeprowadzenie ciekawych badań. Projekt nazwano „Biofeedback device”.
Owe urządzeniem był świeżo uruchomiony, jednokanałowy aparat do monitorowania
aktywności elektrycznej mózgu poprzez pomiar potencjałów na skórze czaszki –
potocznie zwanych falami mózgowymi, czyli EEG. Zastosowano, znaną od początku
XX w., metodę pomiarową o nazwie elektroencefalografia, która obecnie na nowo
wraca do łask, dzięki postępowi technologicznemu w dziedzinie wzmacniaczy
biologicznych oraz wprowadzeniu nowych metod analizy sygnałów. Do skóry głowy
pacjenta przytwierdza się, zwilżone żelem przewodzącym elektrody. Żel stosuje się
w celu obniżenia rezystancji elektroda – skóra. Najczęściej używa się odprowadzeń
dwubiegunowych, kiedy to badany jest przebieg zmian różnicy potencjałów między
elektrodami położonymi blisko siebie:
Rysunek 1. Szkic koncepcji rejestracji EEG, z zastosowaniem dwubiegunowych
odprowadzeń. Widok z góry na głowę pacjenta.
Powyżej zobrazowana metoda rejestracji pozwala na częściową eliminację
zakłóceń, które biorą swe źródło z sieci energetycznej, lub z organizmu samego
pacjenta, takie jak sygnał EKG lub artefakty pochodzące z ruchów mięśni (EMG).
Niepożądane sygnały indukują się synfazowo na każdej parze odprowadzeń, a
interesujący nas sygnał EEG, zbierany jest różnicowo.
Miejsce podłączenia elektrod należy wybrać w zależności od tego, który fragment
kory mózgowej stanowi przedmiot badań oraz które rodzaje fal należy poddać
obserwacji. Nasz zespół zainteresowało wykorzystanie fal mózgowych człowieka w
amplikacji biofeedback. W ogólności biofeedback to trening kontroli
samoregulującego się systemu za pomocą biofizjologicznego sprzężenia zwrotnego.
Ową definicję przedstawia poniższy obrazek:
Rysunek 2. Zasada działania biologicznego sprzężenia zwrotnego
System akwizycji mierzy wybrany parametr fizjologiczny i na bieżąco prezentuje jego
zmiany. Może to być, dla przykładu, powiększanie się piłki na ekranie lub skręt
jadącego samochodu w określonym kierunku. W ciągu kilku kolejnych takich sesji
treningowych pacjent uczy się świadomie wpływać na określony parametr
fizjologiczny, taki jak impedancja skóry, temperatura ciała lub częstotliwość fal
mózgowych. Kiedy parametrem jest EEG, wtedy mamy do czynienia z
neurofeedback’iem.
Dany typ fal jest silnie skorelowany z konkretnym stanem umysłu. Człowiek może,
do pewnego stopnia, wyćwiczyć świadomą kontrolę nad generacją określonych
częstotliwości, a więc wprowadzić mózg w określony tryb pracy, taki jak intensywne
logiczne myślenie lub abstrakcyjne fantazjowanie w stanie głębokiego relaksu.
Na prawdziwości powyższych dwóch tez opiera się praktycznie cała celowość
stosowania treningu neurofeedback.
Pole zastosowań, jakie znajdują tego typu urządzenia jest tak rozległe, jak mnogość
sytuacji życiowych, w których wymagana jest umiejętność kontroli własnych emocji i
sprawnego wejścia w pożądany stan umysłu, jak choćby rozluźnienie, albo
intensywna praca twórcza. Wystarczy wymienić kilka sfer, w których zajmują
znaczącą pozycję:
-
-
sport – trening koncentracji i wyciszenia w stanie wyczerpania
biznes – podnoszenie sprawności intelektualnej w sytuacjach
stresowych, podejmowanie ważnych decyzji po uprzednim
rozmyślaniu w stanie głębokiego relaksu
kursy wydajniejszego uczenia się, zwłaszcza przed okresem
egzaminów
terapia uzależnień
terapia nerwic oraz ADHD
sterowanie rozmaitymi urządzeniami, jak na przykład proteza ręki
Neurolodzy często podkreślają brak skutków ubocznych – przy treningu pod okiem
specjalisty oraz fakt poczucia odpowiedzialności pacjenta za wynik własnego
leczenia. Chory wie, że droga do wyzdrowienia w dużej mierze zależy od włożonego
przezeń wysiłku.
W pierwotnym urządzeniu usprawniono tor analogowy, dostrajając filtry odcinające
zakłócającą składową od sieci energetycznej 50[Hz]. Wykonano dodatkowe trzy
płytki ze wzmacniaczami biologicznymi, co uczyniło urządzenie czterokanałowym.
Schemat blokowy pojedynczej płytki, która tworzy niezależny, osobny wzmacniacz
biologiczny umieszczono na rysunku 3. Przedstawia on drogę, jaką przebywa sygnał
fal mózgowych, począwszy od elektrod, a skończywszy na przetworniku analogowocyfrowym. Najpierw różnica napięć, której źródłem jest aktywność neuronów w korze
mózgowej, odkłada się na elektrodach wejściowych, które, poprzez przewody
doprowadzające, przenoszą ją na wejście wzmacniacza instrumentalnego – w
naszym przypadku modelu INA121. Po stukrotnym wzmocnieniu i odrzuceniu
składowej stałej z sygnału, jest on dziesięciokrotnie wzmacniany i oczyszczony z
zakłóceń sieciowych przez filtr pasmowozaporowy typu notch. Następnie
dolnoprzepustowy filtr, o bardzo stromej charakterystyce (5 rzędu) tłumi składowe o
częstotliwościach wyższych niż 30[Hz], które pochodzą od aktywności mięśni oraz
znajdujących się w pobliżu urządzeń radiowych. Na koniec sygnał przechodzi przez
trzeci, regulowany stopień wzmacniający i zostaje zamieniony na postać cyfrową.
Rysunek 3. Schemat blokowy pojedynczego wzmacniacza biologicznego
Sumaryczne wzmocnienie układu wynosi, zależnie od ustawień: 2000, 20000 lub
50000 razy, co pozwala na oglądanie przebiegów o amplitudzie poniżej 1[uV]. Płytkę
pojedynczego wzmacniacza, zestawiony pierwszy układ testowy (generator +
wzmacniacz + oscyloskop) i zarejestrowany przebieg przed filtracją oraz po filtracji
przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 4. Płytka wzmacniacza, generator połączony ze wzmacniaczem i oscyloskopem oraz
zarejestrowane oczyszczenie sygnału testowego z zakłóceń dzięki układom aktywnej filtracji.
Wyniki
Pierwszym sygnałem biologicznym, który zarejestrowano skonstruowanym
urządzeniem był sygnał EKG, który ma względnie bardzo wysoką amplitudę (rzędu
miliwoltów). Po podłączeniu 12 elektrod i ustawieniu wzmocnienia na minimalne
(2000), zarejestrowano w 4 kanałach urządzenia następujące przebiegi:
Rysunek 5. Konstruktor z zamontowanymi elektrodami i przebiegi aktywności elektrycznej jego serca – EKG.
Następnie podłączono urządzenie do głowy i ustawiono wzmocnienie na 50000,
ponieważ fale mózgowe mają bardzo niską amplitudę, rzędu pojedynczych [uV].
Mimo tego, urządzenie świetnie poradziło sobie również z tam słabymi sygnałami:
Rysunek 6. Konstruktor i przebieg czasowy jego fal mózgowych, zebrany w czasie 3 sekund.
Wysokość widocznych kolorowych, pionowych pasków jest proporcjonalna do amplitudy fal
alfa, które są wysoce skorelowane z poziomem relaksu.
Program BrainBay wyświetla odebrany sygnał i wysokością kolorowych pasków
informuje użytkownika o udziale fal alfa w aktywności elektrycznej jego mózgu. Fale
alfa mają częstotliwość od 8 do 12[Hz] i są wysoce skorelowane z poziomem relaksu.
W ten sposób pacjent może uczyć się świadomie wyciszać swój umysł i miarodajnie
testować różne techniki relaksacyjne. Ciekawym narzędziem badania sygnału jest
spektrogram, który pokazuje, jak zmieniają się dominujące częstotliwości fal wraz z
upływem czasu.
Rysunek 7. Sygnał i jego spectrogram poniżej. Po lewej – pacjent zestresowany. Po prawej – pacjent
zrelaksowany (widać wysoką aktywność fal alfa – 10[Hz])
Etapy konkursu
Po wysłaniu opisu procesu projektowego oraz wyników pracy w postaci
sprawozdania do organizatorów konkursu, należało poczekać do końca września na
wyniki pierwszego etapu. Z radością dowiedzieliśmy się o zakwalifikowaniu naszego
zespołu do dalszego etapu, aby miesiąc później dowiedzieć się o zaproszeniu nas na
galę finałową pod Monachium.
Gala finałowa
Finał konkursu odbył się 22. listopada we Freisingu pod Monachium, w siedzibie
firmy Texas Instruments. Najpierw oprowadzono nas po tamtejszej zaawansowanej
fabryce struktur półprzewodnikowych, a po obiedzie przyszedł czas na
zaprezentowanie się finalistów:
Dwa pierwsze miejsca zdobyły zespoły z Niemiec, a nasz zespół zajął miejsce
trzecie:
Co ciekawe na miejscu czwartym uplasowali się również Polacy – z Politechniki
Łódzkiej. Na koniec przyszedł czas na wspólne zdjęcia:
i wymianę doświadczeń:
Podsumowanie
Udział w międzynarodowym konkursie był dla nas wielkim przeżyciem i pokazał nam,
że warto wkładać wysiłek w pasjonującą pracę badawczą. Wynik, który udało nam
się osiągnąć, motywuje nas do realizacji jeszcze odważniejszych projektów i dodaje
otuchy do odważnej rywalizacji z inżynierami również z innych krajów. Pragniemy
gorąco podziękować prof. Antoniemu Grzance za wsparcie, jakiego nam udzielił
podczas prac badawczych oraz na samej gali finałowej. Dziękujemy również mgr inż.
Mirosławowi Sobotce za ciepłe przyjęcie w Monachium i zatroszczenie się o wszelkie
logistyczne sprawy na miejscu.
Udało się zbudować kompletny system do akwizycji sygnału EEG, który zostanie
użyty do wielu eksperymentów będących w zakresie tematyki badawczej
Studenckiego Koła Naukowego Cybernetyki.
Z wielką chęcią podejmiemy wyzwanie trzeciej edycji konkursu, tym razem mierząc
ambitnie w pierwsze miejsce.