الکتروانسفالوگرام (EEG) روش پرکاربردی برای تخمین تغییرات در فعالیت عصبی فیزیولوژیکی مرتبط با محرکهای خارجی یا اجرای وظایف خاص است. از نظر مکانیکی، وقتی نورونهای ساکن در مغز برانگیخته میشوند، پتانسیل زیستی تولید میکنند که الکترودهای دستگاه اندازهگیری EEG آن‌ها را ثبت می‌کند. این پتانسیل‌ها منعکسکنندة مجموع فعالیتهای پسسیناپسی قشر مغز هستند که با عملکردهای مختلفی ازجمله عملکردهای حرکتی، حسی، و شناختی مرتبط هستند. به‌تازگی، فناوری واقعیت مجازی (VR) توسعة نوعی الگوی جدید عصبی فیزیولوژیکی را ارتقا داده است.
واقعیت مجازی فناوری‌ای است که از سختافزار تخصصی و بازخورد حسی برای ایجاد تجربة مجازی در اطراف کاربر استفاده می‌کند و درک و احساس دنیای مجازی را با دنیای فیزیکی قابل مقایسه می‌کند. VR می‌تواند ورودی‌های بصری بسیار قابل کنترلی را ارائه دهد و در افراد، برانگیختگی عاطفی قوی‌تری را به محرکهای سنتی ایجاد کند. درنتیجه، VR به‌طور گسترده در تحقیقات روان‌شناسی و علوم شناختی استفاده می‌شود که تلاش میکنند آزمایش‌های عصبی فیزیولوژیکی را به محیط VR منتقل کنند. انتخاب ناحیة پیشانی به این دلیل است که قشر لوب فرونتال، به‌ویژه قسمت قدامی لوب پیشانی (قشر پیشانی)، نقش اصلی را در کنترل شناختی و عملکردهای اجرایی ایفا می‌کند. این کارکردها شامل برنامه‌ریزی، تصمیم‌گیری، و تنظیم احساسات است.
برای مثال، در مطالعه‌ای، از EEG در ناحیة لوب فرونتال برای غربالگری اختلالات شناختی خفیف و زوال عقل استفاده شد. بهبود عدم تقارن بین فعالیت آلفای پیشانی چپ و راست مغز از طریق نوروفیدبک، روش مؤثری برای درمان اختلال افسردگی در نظر گرفته می‌شود. اغلب سیستم‌های نظارت بر توجه، از کانال فرونتال استفاده میکنند. برای زمینههای تحقیقاتی مانند غربالگری عملکرد شناختی و تشخیص اختلالات روانی، سیستمی چهارکانالی می‌تواند اطلاعات کافی را ارائه دهد.
برای محققان در زمینة علوم اعصاب، انواع دستگاه‌های اندازهگیری EEG قابل حمل در بازار موجود است. NeuroVista با ارائة رویکرد طراحی سختافزار جدید، که اندازهگیری EEG را با دستگاه‌های VR ادغام می‌کند، متمایز است. در بین دستگاه‌های مشابه، NeuroVista کمترین اندازه و قیمت را دارد.
توصیف سختافزار
سیستم اندازهگیری NeuroVista از سه جزء تشکیل شده است: دستگاه اندازهگیری EEG، دستگاه VR، و نرم‌افزار (EEG). دستگاه اندازهگیری EEG برای گرفتن سیگنال‌های مغزی، فیلترکردن، تقویت، و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال طراحی شده است. شکل 1 شماتیک سیستم NeuroVista را نشان می‌دهد.
شکل 1. نمودار شماتیک سیستم اندازهگیری EEG پیشنهادی (Neurovista)
دستگاه VR محیط واقعیت مجازی تعاملی را برای کاربر ایجاد می‌کند. نرم‌افزار EEG به‌طور خاص برای دریافت، نمایش، و ذخیرة داده‌های ارسال‌شده از دستگاه اندازهگیری EEG توسعه یافته است. این نوعی رابط کاربرپسند برای تجسم و تجزیه‌وتحلیل سیگنال‌های EEG در زمان واقعی یا آفلاین در اختیار محققان قرار می‌دهد.
دستگاه اندازهگیری NeuroVista قادر است سیگنال‌های EEG را از چهار کانال پیشانی با یک الکترود مرجع در لالة گوش اندازهگیری کند. ابعاد این دستگاه سبک 12×30× 45 و وزن آن 34 گرم است و امکان اتصال آسان به هدست VR را فراهم می‌کند. انرژی آن با یک باتری لیتیومی 7/۳ ولتی تأمین می‌شود. سیستم الکترود نقش مهمی در تماس مستقیم با پوست بدن انسان دارد.
سیگنال‌های EEG در ابتدا با نرخ 750 هرتز نمونه‌‌برداری میشوند و پس از آن، از طریق فیلتر درجه‌دوم ناچ با فرکانس 50 هرتز یا 60 هرتز برای حذف نویز برق شهر پردازش میشوند. سپس، سیگنال‌ها تحت فیلتر پایین‌گذر Butterworth درجه 10 با فرکانس قطع 50 هرتز قرار می‌گیرند تا نویز فرکانس بالا را حذف کنند. NeuroVista به محققان این امکان را می‌دهد تا هدست واقعیت مجازی و سیستم الکترود را براساس نیازهای خاص خود تعویض کنند. برای تسهیل ارتباط بین دستگاه‌های اندازهگیری EEG و کامپیوتر، نرم‌افزاری اختصاصی توسعه داده شده است. این نرم‌افزار روی پلتفرم ویندوز اجرا می‌شود و نمایش و ذخیرة سیگنال‌های EEG را امکان‌پذیر می کند. NeuroVista چندین مزیت ارائه می‌دهد و به محققان در دستیابی به اهداف تحقیقاتی خود کمک می‌کند:
1. داده‌های EEG با دقت زیاد: NeuroVista اندازه‌گیری‌‌های EEG را با نویز ورودی کم فراهم می‌کند و به محققان اطمینان می‌دهد که سیگنال‌های EEG دقیق و قابل اعتماد را به‌دست می‌آورند و تجزیه‌وتحلیل دقیق فعالیت مغز را تسهیل می‌کند.
2. سازگاری با دستگاه VR: سیستم NeuroVista با هدست VR سازگار است. بنابراین، به محققان اجازه می‌دهد تا محیطهای واقعیت مجازی را در آزمایش‌های خود ادغام کنند که فرصت‌هایی را برای انجام آزمایش‌های شناختی و آموزش نوروفیدبک ایجاد می‌کند.
3. قابل حمل و بیسیم: فناوری بلوتوث دستگاه اندازهگیری NeuroVista، ارتباط بیسیم با رایانه را امکان‌پذیر می‌کند و انجام آزمایش‌ها را بدون محدودیت، با اتصالات سیمی برای محققان، راحت می‌کند.
4. هزینة کم: میانگین هزینة هر کانال NeuroVista کمتر از دیگر دستگاه‌های اندازهگیری EEG موجود است.
شکل 2 و 3 شماتیک مونتاژ صفحة اصلی، باتری، نگهدارندة واقعیت مجازی، و محل قرارگیری الکترود روی دستگاه را نشان می‌دهند. در اندازهگیری پتانسیل زیستی، کیفیت سیگنال‌های ثبت‌شده به‌شدت به الکترودهای مورد استفاده بستگی دارد. هنگامی که الکترودها سیگنال‌ها را هدایت میکنند، با یک محلول الکترولیت، مانند ژل رسانا، تماس مستقیم پیدا میکنند. عرق انسان یا مایع بافتی نوعی رابط فلز ـ الکترولیت تشکیل می‌دهد. درنتیجه، یک اختلاف پتانسیل به نام پتانسیل نرنست به‌دلیل اختلاف توزیع بار بین فلز و محلول ایجاد می‌شود. این پدیده، پلاریزاسیون الکترود نامیده می‌شود. در این مطالعه، از الکترودهای خشک استفاده می‌شود که نیاز به ژل رسانا را از بین می‌برد و تجربة کاربری راحت‌تری را ارائه می‌دهد.
شکل 2. شماتیک مونتاژ صفحه اصلی، باتری، و نگهدارندة واقعیت مجازی
شکل 3. محل قرارگیری الکترود دستگاه NeuroVista
ارزیابی
برای نشان‌دادن عملکرد سیستم، NeuroVista تحت شرایط آزمایشگاهی در دمای محیط 25 درجة سانتی‌گراد با باتری لیتیومی 7/۳ ولتی، فرکانس فیلتر ناچ برق شهری 50 هرتز، و بهرة 720 آزمایش می‌شود. الزامات آزمایش و پارامترها با توجه به استاندارد IEC 80601-2-26:2019 برای الکتروانسفالوگرافی‌های تجاری رعایت شده است.
بحث و نتیجه‌گیری
این مطالعه ترکیبی از فناوری واقعیت مجازی و اندازه‌گیری‌‌های الکتروانسفالوگرافی را نشان می‌دهد که ظرفیت فوق‌العاده‌ای را در زمینههای تحقیقات روان‌شناسی و علوم اعصاب به‌همراه داشته است. بااین‌حال، هم‌اکنون بیشتر دستگاه‌های اندازهگیری EEG گران و حجیم هستند و ادغام آن‌ها با هدست‌‌های VR دشوار است. این محدودیت‌ها مانع توسعة زمینههای تحقیقاتی مرتبط شده است. این مطالعه نوعی سیستم اندازهگیری EEG چهارکانالة (NeuroVista) کم‌‌هزینه، سبک، بیسیم، و با دقت زیاد را برای اندازهگیری EEG ناحیة پیشانی نشان داد که می‌تواند با هدست VR استفاده شود.
منبع
Zhiyuan Yu, Shengwen Guo, “A Low-Cost, Wireless, 4-Channel EEG Measurement System Used in Virtual Reality Environments”, ScienceDirect, vol. 17, E00507, March 2024.
تهیه‌وتنظیم: دکتر ندا کفاش
