Beyin Bilgisayar Arayüzleri

Şu anda konuyu okuyanlar (Üyeler: 1, Ziyaretçi & Botlar: 0)


Efe Zoroğlu

Profesör
Katılım
24 May 2007
Mesajlar
1,306
Puanları
0
1978 yılında Craig Thomas'ın yazdığı "Firefox" romanı Ruslar tarafından tasarlanmış ve silah sistemleri düşünce gücü ile kontrol edilebilen bir savaş uçağını anlatmaktadır. Pilotun giydiği kaskın içinde elektrodlar vardır ve pilotun beyin dalgaları yorumlanıp çeşitli silahları kontrol etmek için kullanılmaktadır. <br />http://www.youtube.com/watch?v=nXaS2EQrX7Q<br /><br />Soğuk savaş günlerinden kalma bir fantazi olan böyle bir sistem ancak beyin bilgisayar arayüzleri (brain-computer interface) ile gerçekleştirilebilir. Son 30 yıldır beyin bilgisayar arayüzleri konusunda yapılan çalışmalar ise ortalığı füzeye, bombaya boğmaktan çok felçli hastaların etraflarındaki cihazları ve bedenlerini kontrol edebilmeleri için geliştirilmektedir<br />ÖZET<br /><br />Bu makalede Beyin Bilgisayar Arayüzü (BBA - Brain Computer Interface - BCI) kavramı ele alınacak, tarihi gelişimi değerlendirilecek, bu teknolojinin motivasyonları sıralanacak ve BBA araştırmasında kullanılan yöntemlerin yanısıra bir BBA sisteminin temel bileşenleri ele alınacaktır.<br /><br />GİRİŞ:Neden BBA?<br /><br />Eğer bir şey varsa belli bir miktarda vardır. Eğer belli bir miktarda varsa ölçülmesi mümkündür. René Descartes, Felsefenin Prensipleri, 1644<br /><br />İnsanlar makinalarla iletişim kurmak için çeşitli araçlardan faydalanır: Klavyeler, fareler, "joystick"ler, dokunmaya duyarlı yüzeyler, özel eldivenler, mikrofonlar. vs. Tüm bu komut verme araçları kullanıcın vücudunun belli bir kısmını (daha doğrusu kas sistemini) kontrol edebildiği varsayımına dayanır. Ancak durum her zaman böyle değildir.<br /><br />Söz gelimi motor nöron hastalıklarından biri, amiyotrofik lateral sklerozis (ALS) sadece ABD'de onbinlerce kişiyi etkileemkte ve insanların istemli hareketlerini engellemektedir [1]. ALS, beyin ve omurilikteki motor nöronlara saldırmakta ve kısa sürede hasta hiçbir kasını hareket ettiremez hale gelmektedir. Benzer duruma yol açan motor nöron problemleri arasında beyin kökü travması, beyin ya da omurilik yaralanması, serebral palsi, kas distrofileri ve çoklu skleroz yer almakta, bunların 2.000.000'a yakın hastayı etkilediği bilinmektedir.<br /><br />Ancak önemli olan şey ALS hastalığının sadece ve sadece motor nöronları etkilediği, yani hastanin bilişsel işlevlerine bir zarar vermediği gerçeğidir. Hafıza, zekâ ve kişilik korunur. Hastalar görebilir, duyabilir, koklayabilir ve dokunsal uyaranları yorumlayabilirler [1]. Bu da demektir ki, eğer hastanın beynindeki sinirsel etkinliği doğrudan yorumlayabilecek bir teknoloji geliştirilebilirse hastanın çevresindeki araçlarla ve insanlarla iletişim kurması mümkün olabilir.<br /><br />Yukarıdaki örnek senaryo BBA araştırmalarının ana motivasyon kaynaklarından biridir ancak başka sebepler de mevcuttur. BBA araştırmacılarını yönlendiren düşüncelerden biri de doğrudan düşünceleri kullanarak başka bir ara katmana (kas sistemi gibi) gerek kalmaksızın bilgisayarları kontrol edebilmektir. Bu bakımdan, BBA makina insan etkileşiminde güçlendirici bir teknoloji olarak düşünülebilir. Yani popüler anlamı ile olmasa da bir tür "telepati" gerçekleştirmek mümkün olabilir<br /><br />Metnin geriye kalanında "kullanıcı" ve "hasta" terimleri birbirlerinin yerine geçebilecek şekilde kullanılacaktır ve her iki terimle de kast edilen BBA sistemini kullanıp bir ya da daha çok cihazı kontrol etmeye çalışan özne olacaktır.<br />BBA Nedir?<br /><br />Beyin bilgisayar arayüzü:<br /><br /> ... bir tür iletişim sistemidir. Bu iletişim sisteminde, bireyin dış dünyaya gönderdiği iletiler ve komutlar beynin normal çıktı yolları olan çevre sinirlerden ve kaslardan geçmez [2]. <br /><br />Yukarıdaki tanımlamaya göre, beyin etkinliği algılandığı ve yorumlandığı sürece bu tür bir sisteme BBA denebilir ve bunun için elektroensefalografi (EEG), fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), pozitron emisyon tomografisi (PET), vb. teknikler kullanılabilir ancak şimdiye dek BBA çalışmalarında yoğun olarak kullanılmış olan teknik EEG'dir.<br /><br />Tarihi perspektiften bakılacak olursa, "beyin bilgisayar arayüzü" terimini ilk kullanmış olanlardan biri Jacques J. Vidal'dir [3], [4]. Vidal, 1973 yılındaki çalışmasında EEG sinyallerini analiz algılayıp, çözümleyip belli örüntüleri bulup bunları önceden tanımlanmış hareket komutları olarak yorumlayan karmaşık bir bilgisayar sistemi geliştirmiştir. "Bağımlı BBA" olarak tanımlanan bu sistem kullanıcının göz hareketlerini kontrol etme kabiliyetine dayanıyordu (bağımlı BBA aşağıda açıklanacaktır).<br /><br />BBA'yı mümkün kılan nedir? Yukarıdaki örnekte ve tanımda da görülebileceği gibi, BBA'yı mümkün kılan, beynin ürettiği sinyalleri kaydedip bunları örüntü çözümleme ve sınıflandırmasına tabi tutabilme yeteneğimizdir. Beynin yaydığı sinyaller ve bunların kaydedilmesi ne demektir? Kısa cevap: Beyinde iki tür iletişim gerçekleşir, elektriksel ve kimyasal. Her iki tür iletişimin de "görülebilir" etkileri vardır ve bunları bazı cihazlarla tespit etmek mümkündür. BBA açısından önemli olan beyindeki elektriksel iletişimdir. Beyindeki eylem potansiyellerinin tetiklenmesi ve bunların aksonlar boyunca iletilmesi kafatası yüzeyinde tespit edilebilir fiziksel aktiviteye yol açar.<br />EEG BBA'yı Nasıl Mümkün Kılar?<br /><br />BBA alanında en çok kullanılan iletişim türü elektriksel iletişim olduğu için buna biraz yer ayırmamızda fayda var. EEG olmadan pratik, çalışan bir BBA sistemi kurmak zordur.<br /><br />Elektroensefalografi (EEG) terimi ilk kez Berger tarafından kullanılmıştır [5]. Berger, insan kafatası yüzeyinden beyin dalgalarının tespit edilebileceğini ve okunabileceğini göstermiştir.<br /><br />Vidal'e göre kafatası yüzeyi elektriksel potansiyellerinin ana kaynağı<br /><br /> kafatasının hemen altındaki beynin dış kabuğunu meydana getiren serebral korteksteki elektriksel etkinliktir. Serebral korteks, sinir hücreleri (nöronlar) içeren gri maddeden oluşan ince bir tabakadır. Bu hücrelerin bir kısmı (piramit hücreleri) apik dendritlere sahiptir yani beyin yüzeyine doğru uzanır ve yanlamasına genişlerler. Bunun sonucunda ince bir "beyaz madde" yüzeyi oluşur ve burada da yoğun şekilde iç içe geçmiş ince dendrit uzantıları diğer komşu dendritlerle bağlantı kurarlar. Dendritler elektrik alanı nöron merkezine ileten elektrolitik bağlantı araçlarıdır. Hücre merkezine ulaşan elektrik sinyali hücre zarını depolarize ederek hücre atımını tetikler ve böylece sinyal yeniden diğer bir tür hücrelerarası bağlantı elemanı olan akson üzerinden ilerler. Gözlemlenen yüzey potansiyelleri piramitsel hücrelerin tepedeki dendritlerinde ve hücre merkezinde (bedeninde, somasında) üretilir. Bu potansiyeller hücre içindeki polarizasyon ve depolarizasyona karşılık gelir (bu elektrik potansiyel değişimleri postsinaptik (sinaps sonrası) olarak nitelendirilir çünkü nöronlararası sinaps etkileşiminde gerçekleşir). Hücrelerarası alanda dikey olarak ilerleyen elektrik akımlarının aynı zamanda dendritler ile derinlerdeki hücreler arasında bir tür geribesleme bağlantısı sağladıkları da düşünülmektedir. Yüzeydeki pozitif olarak kaydedilen bir değişim derin bölgelerdeki bir depolarizasyona (daha yüksek uyarılabilirlik) karşılık gelir (ve tabii tersi de geçerlidir). correspond to a region of depolarization (greater excitability) in deeper regions and vice versa. <br /><br />Şekil 1'de piramitsel hücrelerin beynin üst kısmında nasıl yerleştikleri ve EEG sinyal algılaması ve kaydedilmesi için elektrotlara yakın bulundukları şematik olarak gösterilmektedir. <br />
<br />BBA Türleri<br /><br />ki tür BBA vardır, bağımlı ve bağımsız [2]. Bu ayrım, beynin çıktı yollarına olan bağımlılık ile ilgilidir. Aşağıda iki tür arasındaki farklar açıklanmıştır.<br />Bağımlı BBA<br /><br />Bağımlı bir BBA sistemi beynin normal çıktı kanallarını kullanır. Bu yüzden de bu tür bir BBA öyle ya da böyle tam olarak işlevsel bir sinir sistemi gerektirir. Popüler bir BBA örneği vermek gerekirse, bedeninin büyük kısmı felçli olan bir hastaya ekranda tek tek harfler gösterilir. Hasta seçmek istediği harf ekranda görününce konsantre olup o harfe bakar. Bu durum, görsel olarak tetiklenen bir potansiyele yol açar (Görsel Tetiklenen Potansiyel - GTP) ve EEG cihazı ile tespit edilebilir. Bunun mümkün olmasının sebebi hastanın konsantre olup belli bir süre baktığı harfin diğer harflere bakma durumuna kıyasla daha yüksek bir GTP oluşturmasıdır.<br /><br />Her ne kadar bu tür BBA sistemleri bazı durumlarda faydalı olsa da (örn. kullanım kolaylığı ve düzgün öğrenme eğrisi), sistem çok hasar görmemiş bir sinir sisteminin varlığına dayanır. EEG kullanılıyor olsa da sinyal üretilmesini sağlayan şey göz kasları ve bunları kontrol eden kraniyal sinir hücreleridir.<br />Bağımsız BBA<br /><br />Bağımsız bir BBA sistemi sağlam bir çevresel sinir sistemi gerektirmez. Böyle bir BBA sadece kullanıcının "eğilimleri"ne dayanır.<br /><br />Yukarıdaki harf seçme örneğine dönecek olursak, eğer bağımsız BBA kullanılırsa kullanıcının tek yapması gereken istediği harfi düşünmektir. Bu mekanizmada gözün hareketi ya da kontrolü ile ilgili hiçbir şey söz konusu değildir. Bu durumda EEG tarafından tespit edilen P300 potansiyelidir (P300 potansiyeli aşağıda açıklanacaktır).<br />BBA Sisteminin Temel Bileşenleri<br />Modern bir BBA sistemi beş altsisteme bölünebilir:<br /><br /> * Sinyal toplama<br /> * Sinyal işleme: özellik çıkarma<br /> * Sinyal işleme: dönüştürme algoritması<br /> * Çıktı cihazı<br /> * İşletme protokolü<br /><br />
<br />Şekil 2'de bir BBA sisteminin temel bileşenleri görünmektedir [2].<br />Sonuç<br />http://www.youtube.com/watch?v=NIG47YgndP8<br />1978 yılında Craig Thomas'ın yazdığı "Firefox" romanı Ruslar tarafından tasarlanmış ve silah sistemleri düşünce gücü ile kontrol edilebilen bir savaş uçağını anlatmaktadır. Pilotun giydiği kaskın içinde elektrodlar vardır ve pilotun beyin dalgaları yorumlanıp çeşitli silahları kontrol etmek için kullanılmaktadır [17].<br /><br />Günümüzde bu fantaziden hala epey uzağız. Mevcut BBA sistemleri en fazla 25 bit/dakika performansındadır ve bu bile bir başarı olarak kabul edilmektedir. Hastalar bu BBA sistemlerini kullanarak çok basit kelime işlem uygulamalarını çalıştırabilmekte, etraflarındaki cihazları açıp kapatabilmekte, cihazları belli bir ölçüye kadar ayarlayabilmektedirler.<br /><br />BBA sistemlerinin gelişimi uyarlanabilir dönüştürme algoritmalarının geliştirilmesine ve beynin işleyişi hakkındaki bilgilerimizin artmasına bağlıdır. Bilgi işleme güçleri artarken bir yandan da fiziksel boyutları düşen bilgisayarlar BBA açısından önemli bir avantajdır çünkü bu sayede sistemleri daha taşınabilir yapmak ve böylece BBA kullanan hastaların hareket özgürlüklerini artırmak mümkün olmaktadır.<br /><br />BBA sistemleri daha taşınabilir hale gelip ucuzladıkça ALS gibi ağır hastalıklarla mücadele eden hastalara yardım etmek kolaylaşacaktır. BBA araştırmalarının bir başka önemli noktası da kas uyarıcıları ve harekete geçiricilerinin intrakortikal elektrodlara bağlama deneyleridir. Böylece normalde kaslarına hükmedemeyen hasta bu yapay sistemler sayesinde de olsa bazı kaslarını hareket ettirebilir hale gelecektir. Televizyonu açmak için parmağınızla kumandaya basmak aynı iş için iyice konsantre olup bilgisayarınıza emir vermeye çalışmaktan çok daha doğal bir hareket şeklidir. <br />Kaynakça<br />1- Amyotrophic Lateral Sclerosis Fact Sheet, http://www.ninds.nih.gov/disorders/amyotrophiclateralsclerosis/detail_amyotrophiclateralsclerosis.htm<br /><br />2- Wolpaw R. J., Birbaumer N., McFarland, D.J., Pfurtscheller, G., Vaughan, T.M. (2002), "Brain-computer interfaces for communication and control", Clinical Neurophysiology, 113 (2002) sf. 767-791<br /><br />3- Vidal, J.J. (1973), "Toward Direct Brain-Computer Communication", Annual Review of Biophysics and Bioengineering, L.J. Mullins, Ed., Annual Reviews, Inc., Palo Alto, Vol. 2, 1973, sf. 157-180.<br /><br />4- Vidal, J.J. (1977), "Real-time detection of brain events in EEG", IEEE Proc 1977; Vol 65-5, sf. 633-664 [Special issue on Biological Signal Processing and Analysis].<br /><br />5- Berger H. (1929), "Uber das electrenkephalogramm des menchen", Arch Psychiatr Nervenkr 1929, Vol 87 sf. 527-570.<br /><br />6- Weiskopf, N., Mathiak, K., Bock S.W., Scharnowski F., Veit R., Grodd W., Goebel R., Birbaumer N. (2004) "Principles of a brain-computer interface (BCI) based on real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI)", IEEE Trans Biomed Eng 51(6), sf. 966-970<br /><br />7- Kennedy, P.R., Kirby, M.T., Moore, M.M., King, B. and Mallory A. (2004) "Computer control using human intracortical local field potentials", IEEE Trans Neural Syst. Rehabil. Eng. 12(3), sf. 339-344<br /><br />8- Prof. Dr. Reşit Canbeyli ile kişisel iletişim (2006).<br /><br />9- Middendorf, M., McMillan, G., Calhoun, G., Jones, K.S. (2000), "Brain computer interfaces based on steady-state visual evoked response", IEEE Trans. Rehabil. Eng. (2000); Vol 8, sf. 211-213<br /><br />10- BCI-Info Portal for Brain-Computer Interfaces, http://www.bci-info.tugraz.at/Members/graimann/definitions/scp<br /><br />11- Birbaumer, N., Kübler, A., Ghanayim N., Hinterberger, T., Perelmouter, J., Kaiser, J., Iversen, I., Kotchoubey, B., Neumann, N., Flor, H. (2000), "The thought translation device (TTD) for completely paralyzed patients", IEEE Trans. Rehabil. Eng. (2000), Vol. 8, pp. 190-192<br /><br />12- BCI-Info Portal for Brain-Computer Interfaces, http://www.bci-info.tugraz.at/Members/graimann/definitions/P300<br /><br />13- Donchin, E., Spencer, K.M., Wijesinghe, R. (2000), "The mental prosthesis: assessing the speed of a P300-based brain computer interface", IEEE Trans. Rehabil. Eng. vol. 8, pp. 174-179<br /><br />14- McFarland, D.J., Miner, L.A., Vaughan T.M., Wolpaw J.R. (2000), "Mu and beta rhythm topographies during motor imagery and actual movement", Brain Topogr. vol 12-3, sf. 177-186<br /><br />15- Wolpaw, J.R., and McFarland, D.J. (2004), "Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans", Proceedings of National Academy of Sciences, Vol. 101, No. 51, sf. 17849-17854<br /><br />16- Kennedy, P.R. (1989), "The cone electrode: a long-term electrode that records from neurites grown onto its recording surface", J. Neurosci. Methods (1989), 29(3), sf. 181-193.<br /><br />17- Craig, T. (1978), "Firefox", Harpercollins, Reissue edition (July 1, 1990)<br />Alıntı:http://www.ileriseviye.org/
 
Üst
stat counter