Development of Human-Machine Interface System Via Biomedical Signal for Hand Rehabilitation

Abstract

This thesis proposes an enhancement of motor imagery (MI)-based brain-computer interface (BCI) for rehabilitation by combining a visual motion illusion stimulation method. Since, the motor imagery takes a long time for training, the method of stimulation by external stimuli through the sensory system is an alternative way to increase the efficiency. The research is divided into two parts, mainly: (1) To observe and test the pattern of visual motion illusion for brain-computer interface (2) The proposed system of the BCI by combining motor imagery and visual illusion stimulation. This research uses the windmill pattern to modulate signal at occipital area of the brain. We were testing the windmill pattern with a different number of propellers. It was found that the windmill pattern with 96 propellers can stimulate the brain with the best result. Therefore, we used the obtained pattern to combined with motor imagery. This proposed system can create two commands to control the rehabilitation device for lifting the left or right arm with the designed algorithm. A total of 8 volunteers participated in the experiment, using a brain-computer interface system with motor imagery and combining the methods to compare the efficiency. The results show that the proposed method can increase the accuracy by approximately 4% to 6%. The speed of command creation is increased due to visual stimulation. Therefore, the combined effects may be caused by stimulating the brain with visual motion illusion only. In the future, we will develop algorithms, verify performance, and establish guidelines for use appropriate to control an arm rehabilitation device in reality.

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้นำเสนอการเพิ่มประสิทธิภาพให้วิธีการจินตนาการการเคลื่อนไหวเพื่อเชื่อมต่อสมองกับคอมพิวเตอร์สำหรับการบำบัดฟื้นฟูสมรรถภาพด้วยการรวมกันกับวิธีกระตุ้นสมองด้วยภาพเคลื่อนไหวลวงตา เนื่องจากวิธีการจินตนาการการเคลื่อนไหวใช้ระยะเวลานานในการฝึกฝน วิธีการกระตุ้นจากสิ่งเร้าภายนอกผ่านประสาทสัมผัสจึงเป็นทางเลือกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้ โดยงานวิจัยแบ่งออกเป็นสองส่วนใหญ่ คือ (1) การสำรวจและตรวจสอบรูปแบบของภาพเคลื่อนไหวลวงตาเพื่อการเชื่อมต่อสมองกับคอมพิวเตอร์ (2) ระบบเชื่อมต่อสมองกับคอมพิวเตอร์ด้วยการจินตนาการการเคลื่อนไหวรวมกับกระตุ้นด้วยภาพเคลื่อนไหวลวงตา งานวิจัยนี้ได้เลือกใช้รูปแบบกังหันลมเพื่อกระตุ้นให้สมองเกิดการเปลี่ยนแปลง มีการทดสอบรูปแบบกังหันลมที่มีจำนวนใบพัดแตกต่างกัน พบว่ารูปแบบกังหันลมที่มีใบพัดจำนวน 96 ใบพัดสามารถกระตุ้นสมองได้ผลดีที่สุด นำรูปแบบที่ได้ไปใช้ร่วมกับวิธีการจินตนาการการเคลื่อนไหว ระบบเชื่อมต่อสมองแบบผสมนี้สามารถสร้างคำสั่งเพื่อควบคุมอุปกรณ์ฟื้นฟูได้สองคำสั่งสำหรับการยกแขนซ้ายหรือขวาด้วยอัลกอริทึมที่ได้ออกแบบ มีอาสาสมัครเข้าร่วมการทดลองจำนวน 8 คน ทำการใช้ระบบเชื่อมต่อสมองด้วยวิธีจินตนาการการเคลื่อนไหวและวิธีรวมกันเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพ ผลการทดลองพบว่าวิธีที่นำเสนอสามารถเพิ่มความถูกต้องได้ประมาณ 4% ถึง 6% ความเร็วของการสร้างคำสั่งเพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากการกระตุ้นทางการมองเห็น ดังนั้นผลของทั้งสองวิธีรวมกันอาจเกิดจากวิธีกระตุ้นสมองด้วยภาพเคลื่อนไหวลวงตาเพียงวิธีเดียว อนาคตจะมีการพัฒนาอัลกอริทึม ตรวจสอบประสิทธิภาพ และสร้างแนวทางการใช้ที่เหมาะสมต่อการใช้งานจริงเพื่อควบคุมอุปกรณ์ฟื้นฟูสมรรถภาพมือและแขนของผู้ป่วย