PW: Interfejsy mózg-komputer

25 stycznia 2016 SzczepanPO

Przedmiot wybieralny Interfejsy Mózg-Komputer dla studiów stacjonarnych I stopnia

Kierunek: Inżynieria biomedyczna

DO POBRANIA: 

  • Wykład Neuroinformatyka. [Pobierz]
  • Wykład Rola technologii BCI w rozwiązania biomedycznych. [Pobierz]
  • Wykład na bazie artykułu naukowego – The Impact of Different Sounds on Stress Level in the Context of EEG, Cardiac Measures and Subjective Stress Level: A Pilot Study [Pobierz]
  • Wykład na bazie artykułu naukowego – A Method to Obtain Parameters of One-Column Jansen–Rit Model Using Genetic Algorithm and Spectral Characteristics [Pobierz]

Rodzaj zaliczenia: Egzamin

Tematy wykładów:

  1. Wstęp do technologii interfejsów mózg-komputer oraz neuroinformatyki.
  2. Podstawy układu nerwowego człowieka w kontekście technologii mózg-komputer.
  3. Metody badania aktywności pracy mózgu. Podstawy elektroencefalografii. Układ 10-20. Sygnał EEG.
  4. Rodzaje Brain Computer Interfaces i paradygmaty w technologii mózg-komputer.
  5. Medyczna aparatura do neuroobrazowania. FFT oraz FHT w zastosowaniu do sygnału EEG.
  6. Technologia BCI w inżynierii biomedycznej.
  7. Zastosowanie technologii mózg-komputer w praktyce.
  8. Modelowanie aktywności neuronów. Modele populacyjne.
  9. Metody analizy danych – sygnałów EEG. Metoda PCA – analizy składowych głównych i ICA – analizy składowych niezależnych. Ślepa separacja sygnałów – BSS.

Harmonogram zaliczeń wykładu: 

  • Egzamin 0 – 3.06.2019
  • Egzamin 1 – 10.06.2019
  • Egzamin 2 – 17.06.2019

Projekt z przedmiotu Interfejsy mózg-komputer

Każda praca realizowana w ramach zajęć projektowych zaczyna się od zajęć praktycznych w Laboratorium Neuroinformatyki (realizowanych w ramach zajęć laboratoryjnych). Zadanie Studenta polega na zapoznanie się w praktyce z technologią mózg-komputer, w tym z urządzeniem Emotiv EPOC+ NeuroHeadset. Na zajęciach odbywa się weryfikacja pracy z urządzeniem. Kalibracja z nim. Testy dołączonych do urządzenia aplikacji, w tym między innymi: EPOC Control Panel, Xavier Control Panel, Mouse Emulator, 3D Brain Visualizer, Brain Activity Map, Emotiv Xavier TestBench w tym moduł FFT, EmoBot, EmoKey, Neuro MouseControl, Spirit Mountain, Cortex Arcade, Axo. Każdy student powinien wykonać screeny ze swojej pracy, które następnie zamieszcza w projekcie, w pierwszej jego części dotyczącej technologii BCI.

Tematy projektów do realizacji (projekt może być realizowany w grupie dwuosobowej):

  1. Zastosowanie technologii BCI w przypadku osób niewidomych lub słabo widzących. W ramach projektu należy: przedstawić technologię BCI, opisać narzędzia – algorytmy przetwarzania danych źródłowych – sygnałów EEG; odnieść się do problemów osób niewidomych lub słabowidzących; przedstawić dostępne dotychczas na rynku narzędzia/technologie wspomagające funkcjonowanie takich osób; przedstawić koncepcje połączenia technologii BCI z innym rozwiązaniem, które to wspomagałoby bezpośrednio proces funkcjonowania osoby niewidomej. Praca koncepcyjno-projektowa.
  2. Metody analizy i archiwizacji danych na potrzeby zastosowań w inżynierii biomedycznej. Przetwarzanie danych źródłowych – sygnałów EEG. W ramach projektu należy: przedstawić znane Ci metody archiwizacji danych oraz ich akwizycji, opisać narzędzia – algorytmy przetwarzania danych źródłowych – sygnałów EEG; pobrać dane /sygnał EEG/ z dostępnych w sieci Internet naukowych baz danych lub przy pomocy sprzętu w Laboratorium Neuroinformatyki i przeprowadzić jego analizę w oparciu o opisane algorytmy przetwarzania danych np.: w programie Matlab/Matlab Simulink. Opisać i przedstawić ToolBox EEGLab. Przedstawić pomysły na wykorzystanie danych – sygnałów w inżynierii biomedycznej. Praca eksperymentalno-badawcza, z możliwością praktycznej realizacji. 
  3. Neurogaming w terapii medycznej. W ramach projektu należy: przedstawić pomiar sygnału EEG na podstawie konkretnego urządzenia, opisać istniejące urządzenia w tym zakresie, podać ich ceny, producentów, opisać technologię Unity oraz Emotiv SDK, znaleźć i przedstawić przykłady implementacji rozwiązań neurogamingowych – przykładowe gry, opisać wykorzystanie neurogamingu w terapiach – zastosowanie medyczne, przedstawić koncepcję wykorzystania neurogamingu w autorskim projekcie. Opisać aplikację EmoKey w połączeniu z produktami softwarowymi dostępnymi w laboratorium (Cortex Arcade, Spirit Mountain etc.). Praca projektowo-badawcza z możliwością realizacji.
  4. Neuroprotetyka. W ramach projektu należy: odnieść się do leczenia słuchu, wzorku oraz bólu ww. zakresie, przedstawić budowę mózgu oraz układu nerwowego człowieka, przedstawić pierwsze neuroprotezy słuchu, implant ślimakowy, opisać stymulacje elektryczną nerwów w ośrodku ślimaka, przedstawić praktyczne dotychczasowe implementacje, opisać neuroprotezy wzorku: elektrody wszczepiane do mózgu, fotoreceptory umieszczane na okularach skorelowane ze stymulacją komórek nerwowych, w ramach leczenia bólu odnieść się do generatora impulsów wszczepianego w okolicy podbrzusza stymulującego rdzeń kręgowy generując impulsy elektryczne. Po opisaniu metod badania oraz leczenia, należy podjąć próbę połączenia wyników pomiarów z zajęć praktycznych z możliwością ich użycia/implementacji w zakresie konkretnego rozwiązania neuroprotetycznego (autorskiego lub już opublikowanego). Praca badawczo-teoretyczna.
  5. Neuroprotetyka bioniczna. W ramach projektu należy odnieść się do sytuacji kiedy to następuje amputacja kończyny, wówczas sygnały nerwowe, które na przykład niosą informację o chęci zgięcia kolana, czy kostki nie są w stanie dotrzeć do mięśnia efektorowego. W celu rozwiązania ww. problemu stosuje się neuroprotezy bioniczne, do których to przekierowuje się ścieżki sygnałów nerwowych. Należy opisać przykładowe implementacje w tym zakresie, odnieść się do mechanicznych sensorów na robotycznej nodze, scharakteryzować elektrody, które umieszczane na nodze pacjenta, które to mogą wykrywać elektryczne sygnały ze skurczy mięśniowych. Praca badawczo-teoretyczna.
  6. Kognitywistyka. Architektury kognitywne, symboliczne, emergentne i hybrydowe. W ramach projektu należy: przedstawić dotychczasowe osiągnięcia w dziedzinie nauki jaką jest kognitywistyka, scharakteryzować jej podział, omówić potencjalne zastosowanie osiągnięć nauki z niej płynących, opisać architektury kognitywne, symboliczne, emergentne i hybrydowe. Praca teoretyczna o aspekcie psychologicznym.
  7. Moduły Arduino / Raspberry PI w zastosowaniach inżynierii biomedycznej w połączeniu z technologią BCI. W ramach projektu należy: przedstawić moduły Arduino /ew. Raspberry PI/ w zastosowaniach inżynierii biomedycznej, scharakteryzować technologię BCI, omówić możliwości potencjalnego sparowania modułów z urządzeniami bazującymi na interfejsach mózg-komputer. Przedstawić koncepcję w formie dokumentacji do wykonania fizycznego projektu, kosztorys, karty opisu sprzętu, etc. Praca koncepcyjno-projektowa, z możliwością praktycznej realizacji. 
  8. Zastosowania robotyki w medycynie. W ramach projektu należy: przedstawić zastosowania praktyczne robotów w medycynie, podać praktyczne przykłady, szczególnie polskie osiągnięcia w tej dziedzinie, ponadto opisać rolę narzędzi neuroinformatycznych w zastosowaniach medycznych, omówić szczegółowo zasady badania mózgu metodami: EEG, fMRI, PET. Praca stricte teoretyczna. Temat max. na ocenę 4.0.
  9. System wizyjny na platformę mobilną z zaimplementowanymi narzędziami neuroinformatycznymi. W ramach projektu należy: opisac systemy wizyjne, scharakteryzować popularne obecnie platformy mobilne, opisać narzędzia neuroinformatyczne, opracować dokumentację do narzędzia bazującego na systemie wizyjnym /kamera ze smartfona/, pod system BB OS, Apple OS, Android, Windows Phone wykorzystującego przetwarzanie obrazów do analizy danych z EEG, fMRI, KTG, EKG etc., w miarę możliwości czasowych opracować prototyp aplikacji z GUI. Praca koncepcyjno-projektowa, z możliwością praktycznej realizacji. 
  10. Kontrola ruchu na bazie sygnałów mózgowych i sztuczne kończyny w korelacji z technologią BCI. W ramach projektu należy: omówić ideę identyfikacji zmian sygnału EEG w oparciu o badanie elektroencefalograficzne, scharakteryzować metodę inwazyjną pomiaru EEG, omówić budowę prototypu opartego o elektrody wszczepione do kory mózgowej, odnieść się do możliwości realizacji sztucznych kończyn dla pacjentów po urazach lub amputacjach, przedstawić przykładowe protezy ręki z możliwością ich zginania w łokciu poprzez impulsy z czytane z mózgu, przedstawić ideę sztucznej dłoni sterowanej wprost z mózgu, mogącej się otwierać i zamykać. Praca projektowo-badawcza.
  11. Potencjał wywołany sygnałem sterującym na potrzeby aplikacji. W ramach projektu należy: przedstawić metodologię badań nad sygnałem EEG, opisać zjawisko potencjału wywołanego związanego z bodźcem zewnętrznym/wewnętrznym: potencjału P300 – bodziec zewnętrzny  i jego rolę w procesach sterowania, scharakteryzować desynchronizację i synchronizację sygnału EEG związaną z bodźcem wewnętrznym – na przykład: planowanie ruchu, opracować koncepcję wykorzystania ww. zjawisk w autorskim projekcie. Praca projektowo-badawcza, z możliwością praktycznej realizacji.
  12. Badanie funkcji mózgu z wykorzystaniem fMRI do zastosowań praktycznych. W ramach projektu należy: przedstawić technologię pomiarów fMRI, opisać istniejące urządzenia w tym zakresie, podać ich ceny, producentów, znaleźć i przedstawić przykłady implementacji fMRI do zastsowań wykraczających poza aspekt pomiarów medycznych w klinikach, przedstawić koncepcję wykorzystania fMRI w autorskim projekcie. Praca projektowo-badawcza.
  13. Zastosowanie technologii BCI w przypadku osób niepełnosprawnych. W ramach projektu należy: przedstawić technologię BCI, opisać narzędzia – algorytmy przetwarzania danych źródłowych – sygnałów EEG; odnieść się do problemów osób niepełnosprawnych; przedstawić dostępne dotychczas na rynku narzędzia/technologie wspomagające funkcjonowanie takich osób; przedstawić koncepcje połączenia technologii BCI z innym rozwiązaniem, które to wspomagałoby bezpośrednio proces funkcjonowania osoby niepełnosprawnej (ruchowo). Praca koncepcyjno-projektowa.

Ponadto Student może sam przedstawić swój własny temat projektu do akceptacji prowadzącego zajęcia. Po pozytywnej weryfikacji, taki temat może zostać dodany do listy dostępnych tematów, a następnie być realizowany. 

Instrukcje pomocne w ramach realizacji zdań projektowych: 

Instrukcja do urządzenia Emotiv EPOC+ NeuroHeadset

Harmonogram zaliczeń projektu: 

Termin oddania tematu projektu: 11.03.2019

Termin oddania całości projektu: 27.05.2019

Kolokwium z zajęć projektowych – poprawkowe: 03.06.2019

Uwagi do opracowania projektu: 

  1. Projekt powinien zaczynac sie od strony tytulowej z podaniem autora/autorów pracy oraz roku i kierunku studiów. 
  2. Kazde zadanie/opis problemu powinno byc poprzedzone opisem poszczególnych kroków jakie sa wykonywane w celu rozwiazania wyżej wymienionych.
  3. Projekt powinnien być oddany prowadzacemu zajecia w formie wydrukowanej, polaczonej w calosc i liczyć około 20 stron A4, 1,5 wiersza odstępu między wierszami.
  4. Opóznienie w oddaniu pracy/tematu o kolejny tydzień obniza ocene z pracy o jeden stopien. Projektów, nie można poprawiać, można natomiast napisać kolokwium poprawkowe z zajęć. 
  5. Projekty bedace kopiami innych beda odrzucane.
  6. Proszę o stosowanie przypisów dolnych, gdy korzystacie Państwo ze źródeł, zarówno sieci Internet, jak i podręczników.

Ogólne uwagi organizacyjne:

  1. Na zakończenie zajęć przewidziane jest egzamin z wykładu. Każdy Student ma trzy podejścia do napisania egzaminu.
  2. Brak obecności w dniu zaliczenia implikuje ograniczenie ilości podejść do napisania egzaminu.
  3. Konsultacje on-line: s.paszkiel@po.opole.pl

Literatura na bazie, której będzie prowadzona część wykładów:

  1. Brauer F., Castillo-Chavez C., Mathematical models in population biology and epidemiology; Springer, New York, 2001.
  2. Koch C., Biophysics of Computation: information processing in signal neurons; Oxford University Press, Oxford 1999.
  3. Tadeusiewicz R., et. all, Neurocybernetyka teoretyczna; Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, 2009, Warszawa.
  4. Duda J. T., Modele matematyczne, struktury i algorytmy nadrzednego sterowania komputerowego, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2003.