Нейрогарнитура

Нейрогарнитура (англ. neuroheadset) – разновидность приборов для записи ЭЭГ, предназначена для удобного съема сигнала электрической активности мозга с поверхности головы и передачи ее на компьютер или устройство его заменяющее.

Классификация 

Нейрогарнитуры условно можно разделить по следующим критериям:

  • Область применения:
    • Исследовательский уровень; 
    • Любительский уровень.
  • Подключение:
    • Беспроводное (через bluetooth, Wi-Fi);
    • Проводное (через кабель).
  • Типы электродов:
    • Влажные электроды (с использованием геля / физ. раствора);
    • Сухие электроды.
  • Метод регистрации:

Комплектация

Составляющие нейрогарнитуры

В комплект нейрогарнитуры входят следующие элементы:

  • Усилительный блок нейрогарнитуры;
  • Электроды для регистрации ЭЭГ;
  • Референтные ЭЭГ-электроды;
  • Электрод заземления;
  • Портативный аккумулятор;
  • Система креплений для головы и плеча;
  • Порт для подключения усилительного блока к компьютеру;
  • Основной блок нейрогарнитуры.

    Основной блок нейрогарнитуры – предназначен для регистрации биоэлектрической активности мозга через подключаемые электроды ЭЭГ и дальнейшей обработки и передачи поверхностной ЭЭГ или сигналов, полученных на ее основе, на ПК или любое другое устройство.

Принцип работы 

Перед началом использования необходимо надеть нейрогарнитуру на голову. Устройство располагается на голове таким образом, чтобы электроды касались определенных активных зон мозга (в зависимости от конкретной нейрогарнитуры количество и расположение электродов на устройстве может варьироваться). Референтный электрод крепится на мочке уха. Затем устройство подключают к компьютеру или смартфону (через Bluetooth или же USB провод) и через специально установленное ПО устанавливают связь с нейрогарнитурой.

Различие нейрогарнитуры по числу электродов и их расположению (слева-направо): Нейроплэй-8C (8-канальная); Neurosky MindWave Mobile (3 электрода); 24-канальная нейрогарнитура

С помощью нейрогарнитуры биопотенциалы мозга регистрируются в режиме реального времени. Регистрация различных диапазонов частот осуществляется посредством монополярного отведения (разность потенциалов в нескольких точках мозга регистрируется по отношению к одной его области).

Сигнал, полученный от головного мозга проходит стадию предобработки, которая включает усиление этого сигнала, очищение посредством фильтров и преобразование из аналогового в цифровой. Затем устройство передает его далее, например, на компьютер, смартфон, планшет или иное устройство. Передаются следующие данные, а именно: необработанный сигнал ЭЭГ в диапазоне от 0 Гц до 70 Гц, сигнал уже разбитый по основным диапазонам частот, а также сигнал о моргании глаз (чувствительность может настраиваться) и параметры концентрации (внимательности) и медитации (ментальной релаксации).

Существенной проблемой регистрации биопотенциалов являются артефакты. Это затрудняет идентификацию интересующих паттернов мозга в реальном времени. Для их устранения разрабатываются способы надежной фиксации электродов на голове, улучшения электродов, методы слепого разделения источников (основаны на выделение исходного сигнала из набора смешанных данных).

Применение

Большинство современных нейрогарнитур оснащено программами и специализированными процессорами, которые могут точно определить уровень концентрации, медитации, а также  уровень этих состояний и скорость их достижения, а затем передать сигнал для управления изображением, звуком, видео или устройством, на основе полученных данных о нейрональной активности.

Таким образом, можно производить не только анализ биопотенциалов, но и предоставлять пользователю такого рода устройств возможность научиться управлять процессом, программой или неким устройством путем изменения функционального состояния мозга.  Это составляет основу обратной связи, на которой построена работа нейрофидбэка. 

Кроме нейрофидбэка существуют следующие  области применения:

  • Наука: исследование биопотенциалов мозга, различных его областей;
  • Медицина: диагностика патологических изменений в головном мозге и их лечение посредством стимуляции / подавления работы определенных зон коры, реабилитация;
  • Сфера развлечений: управление игровым процессом посредством “силы мысли”;
  • Управление ассоциативными устройствами (например “умный дом”), синхронизация с техникой (электрокресло);
  • Тренировка и развития определенных навыков (повышение концентрации внимания, понижение уровня стресса, нормализация режима сна);
  • Нейромаркетинг: изучение психофизиологических особенностей мозга  и применение их в бизнесе.

Компании производители 

Компании разрабатывающие нейрогарнитуры потребительского класса:

  • Компания NeuroSky.
  • Компания Macrotellect.
  • Компания Interaxon.
  • Компания Emotiv.

Компании разрабатывающие исследовательскую нейрогарнитуру:

  • Cognionics
  • gtec.at
  • Neuroelectrics
  • Mitsar
  • Advanced Brain Monitoring
  • OpenBCI

Таблица 1. Сравнение нейрогарнитуры любительского и исследовательского уровня

ИсследовательскийЛюбительский
Цель – исследование работы мозга (наука); диагностика, лечение, реабилитация (медицина).Цель – применение в быту,  развлечения (игры), тренировка определенных навыков, медитации
Могут быть громоздкимиИспользуются более легкие материалы, простая система крепления
Количество электродов 12 и более

Применяются влажные (с гелем) или сухие электроды

Меньшее количество электродов (2, 4, 6), применяются сухие электроды
Подключение к ПК устройствамПодключение к мобильным устройствам через bluetooth или же взаимодействие  напрямую
Длительное время для подлючения, оптимизации процессовСокращение времени оптимизации, синхронизации с мозгом
Примеры использования: исследование биопотенциалов мозга в режиме реального времени; клиническая практика (мониторинг состояния больного, обнаружение приступов эпилепсии), синхронизация с протезами, нейромаркетингПримеры использования: контроль уровня стресса, нормализация режима сна, улучшение памяти, медитация, нейропилотирование, видеоигры

Достоинства и недостатки нейрогарнитуры

Достоинства:

  • Обработка сигналов в режиме реального времени (мобильный энцефалограф). В классической же энцефалографии сигнал записывается, потом в офлайн-режиме очищается от артефактов и шумов. Сессия обрабатывается различными алгоритмами, и из сигналов вычленяется полезная информация;
  • Компактность и мобильность (нейрогарнитура по сравнению с другими разновидностями ЭЭГ имеет меньшие размеры, состоит из легких материалов и удобного крепления, способна записывать данные на расстоянии – беспроводная связь);
  • Доступность (нейрогарнитура распространена на потребительском рынке, является дешевым портативным устройством);
  • Применение в различных областях (любительский и исследовательский уровни);
  • Возможность синхронизации с различными техническими устройствами (ПК, транспортные средства, протезы, электротехника, бытовые приборы);
  • Кодировка биопотенциалов мозга и привязка к определенным сигналам, например аудио. Так, когда человек находится в состоянии стресса или умственной перегрузки, можно с помощью звуковых сигналов сообщать ему об этом. Частота и интенсивность сигналов может коррелировать со степенью стресса. Тогда человек предпринимает усилие, осознанно успокаивается — и звуки пропадают;
  • Быстрая настройка (возможность быстро расположить электроды и сократить время настройки, благодаря тому что электроды прикреплены к шапочке (шлему).

Недостатки:

  • Качество сигнала  кожа головы обладает высоким сопротивлением, что снижает качество сигнала, а волосы могут мешать прикреплению электродов;
  • Неудобство в процессе эксплуатации долгое ношение вызывает давление резинок на мышцы головы и причиняет дискомфорт. У людей разные по размерам головы, а позиция электродов на голове должна быть чётко выставлена;
  • Отсутствие надёжных алгоритмов для определения эмоций, для определения производительности работы мозга и других электроэнцефалографических парадигм;
  • Неподготовленность обычных пользователей. В настоящее время человек без специальной подготовки в принципе не может работать с нейроинтерфейсами. Технологии требуют высокой мотивации.

Заключение

На сегодняшний день наблюдается активное внедрение новых современных беспроводных технологий в различные сферы жизни общества. Эта тенденция наметилась и в области электрофизиологии. Так проявился переход от классического ЭЭГ к качественно новому устройству – нейрогарнитуре, современному устройство для регистрации биопотенциалов мозга, которое получило широкое распространение в различных сферах деятельности и имеет ряд преимуществ по сравнению с классической ЭЭГ, заключающихся в мобильности, простоте конструкции, выведении информации на различные устройства, а также использовании анализа биопотенциалов головного мозга для улучшения качества жизни человека. Однако в ней существует и ряд недостатков, многие пути применения находятся на стадии разработки, но в скором времени нейрогарнитура получит широкое распространение. По этим причинам активная разработка и внедрение нейрогарнитуры в различные сферы жизни является перспективным направлением изучения.