ĐIỀU KHIỂN VẬT BẰNG TRÍ NÃO THÔNG QUA THIẾT BỊ EMOTIV INSIGHT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


BÁO CÁO TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: KỸ THUẬT THIẾT BỊ Y HỌC VÀ THÍ NGHIỆM
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THẦY LÊ CAO ĐĂNG
LỚP: KU17VLY
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VẬT BẰNG TRÍ NÃO THƠNG QUA THIẾT BỊ
EMOTIV INSIGHT

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14, tháng 12, năm 2019

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


BÁO CÁO BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: KỸ THUẬT THIẾT BỊ Y HỌC VÀ THÍ NGHIỆM
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THẦY LÊ CAO ĐĂNG
LỚP : KU17VLY
ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VẬT BẰNG TRÍ NÃO THƠNG QUA THIẾT BỊ
EMOTIV INSIGHT

2


TIỂU LUẬN

ĐIỀU KHIỂN VẬT BẰNG TRÍ NÃO THƠNG QUA EMOTIV
INSIGHT
Nhóm: 6
Danh sách sinh viên:
Phan Trường Duy

1710807

Phạm Hồng Phát

1712577

Tăng Thanh Thảo

1713193

Phạm Mạnh Duyên

1710842

3


I.

TỔNG QUAN

A.

Đối tượng ( Subject )

Tên : Phạm Hồng Phát

Chiều cao : 172 cm

Tuổi 20

Cân nặng : 78 kg

B.

Giới tính : Nam

Vấn đề

Từ khi BCI ( Brain – computer Interface), sự kết nối giữa não bộ và máy tính được khám phá, đó
ln là 1 vấn đề nóng của con người về mục tiêu khai phá sức mạnh của bộ não. Song song đó,
tồn tại những khó khăn đi kèm. Bởi lẽ ln có những giới hạn ở mặt ý thức và suy nghĩ khi giao
tiếp với 1 cái máy. Dần dần, sự phát triển của hệ máy EEG cá nhân giá rẻ, các ứng dụng của EEG
khơng cịn gói gọn trong phịng thí nghiệm. Giờ đây, với thiết bị EEG cầm tay, 1 bệnh nhân có thể
điều khiển xe lăn, cánh tay giả hay bàn phím và chuột thơng qua chính trí não của họ. Trong đó
phải kể đến EMOTIV, một thiết bị hỗ trợ con người có thể tự tập luyện thao tác với 1 hệ BCI đơn
giản.

C.

Phương pháp

Sử dụng Emotiv Insight , luyện tập điều khiển vật thể bằng suy nghĩ với sự hỗ trợ của phần mềm

Emotiv Xavier Control Panel.

D.

Kết quả chính

Điều khiển được vật thể đẩy ( Push ) , và nâng lên trên ( Lift) bằng suy nghĩ thơng qua Emotiv
Insight.

E.

Kết luận chính

Khả năng vô hạn của BCI và sự hỗ trợ của Emotiv Insight có thể giúp con người theo dõi, cải thiện
khả năng của bộ não. Từ đó có thể ứng dụng ở nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành Khoa học ứng
dụng – Kỹ thuật y sinh, ở mặt Phục hồi chức năng.

4


II.

GIỚI THIỆU

A.

Giới thiệu về BCI :

Là viết tắt của Brain – computer – interface ( Giao diện não – máy tính) : là 1 hệ thống liên kết
giữa não và máy tính, nhằm thực hiện nhiều nhiệm vụ : chơi game, điều khiển cánh tay giả, xe

lăn, giúp các bệnh nhân bại liệt toàn thân giao tiếp qua máy đánh chữ….
1 hệ thống BCI gồm 3 module chính :
Signal Acquisition : Thu nhận tín hiệu :
Thường là 1 headset EEG (có thể là MRI, fNIR,…) : để thu tín hiệu từ não bệnh nhân.
Signal processing : Xử lý tính hiệu :
+ Artifact removal – lọc nhiễu (PCA, ...)
+ Feature extraction – trích suất đặc trưng để dùng phân loại ( Biến đổi Wavelet, biến đổi
Fourier,...)
+ Classification - Phân loại ( SVM, K-mean clustering,...) : Phân loại hành động dựa vào các
feature trích xuất được ở bước trước, dùng các thuật tốn Machine learning.
+ Cho ra output : Đó là hành động nào?

5


Bước Signal processing

+ Output : Dùng điều khiển( giả lập của mental command, cánh tay giả, xe lăn...)

B. EMOTIV INSIGHT
1.

Emotiv Insight

Emotiv Insight, 1 sản phẩm của founder Tan Le, một người gốc Việt ở Thung lũng Silicon, được
đánh giá có thể giúp con người hiểu rõ hơn về bản thân. Dùng suy nghĩ để điều khiển đồ vật mà
không cần dùng bất kỳ một động tác hay lời nói nào. Emotiv giúp tương tác giữa người với máy
tính để máy có thể hiểu khơng chỉ những gì bạn hướng nó làm mà cịn có thể đáp ứng với biểu
cảm khn mặt và trải nghiệm cảm xúc của bạn. Chức năng của nó giống như chiếc máy điện não
đồ mà các bạn thường thấy ở bệnh viện nhưng chúng được cải tiến hơn, giúp người dùng có thể

theo dõi hoạt động não bộ của mình ở mọi lúc, mọi nơi mà khơng cần đến những người có chun
mơn hỗ trợ.

2.1. Phần cứng
2.1.1. Emotiv Insight NeuroHeadset
Thiết bị này có các kênh bao gồm 5 vị trí điện cực : AF3, AF4, T7, T8, Pz

6


Vị trí các điện cực và chức năng của vùng não tương ứng :
Điện cực AF3 và AF4 tương ứng với thùy trán (Prefrontal cortex), gồm các chức năng :
+ Ra quyết định
+ Điều phối cảm xúc và đạo đức
+ Sự tập trung có chủ đích
+ Lập kế hoạch.
Điện cực T7 và T8 ứng với thùy thái dương – vùng Broca :
+ Nhận diện khuôn mặt
+ Ngôn ngữ
+ Xử lý kích thích thính giác ( âm thanh)
Điện cực Pz : Chính giữa của thùy đỉnh :
+ Xử lý khả năng nhận thức :
+ Nhận thức không gian, thời gian.

7


1

2

7
7

7

6
3

7

4

5

8


Chú thích
1 : Power Light, đèn sáng màu trắng là thiết bị được mở.
2 : Charging Port : lỗ cắm sạc.
3 : Power Button, nút mở.
4 : Đèn hiệu sạc.
5 : Reference Sensor, cảm biến chuẩn, đeo sau xương lỗ tai.
6 : Temporal Sensor, cảm biến thái dương,
7 : Polymers Sensor, cảm biến polyme .

Thông số kĩ thuật

9

2.1.2. Emotive USB Reciver Universal Model
Thiết bị USB kết nối giữa máy tính với Headset thơng qua bluetooth.

2.2. Phần mềm
Emotiv Insght với Bộ phát triển phần mềm SDK – Software Development Kit đã phát hành 1 loạt ra phần mềm
hỗ trợ cho sản phẩm của mình như EmotivBCI cho máy tính và smartphone . Ngồi ra, phải kể đến là Emotiv
Xavier Control Panel được sử dụng trên máy tính, được tích hợp 2 software cho cả EPOC lẫn Insight .
Ở bài tiểu luận này , nhóm chọn phần về nhận thức trong di chuyển vật thể Cognitve - Mental Command để
phân tích .

III. QUY TRÌNH THỰC HIỆN
1.

Chuẩn bị

Bước 1 : Gắn đầy đủ tất cả các cảm biến vào Headset (Tay cảm biến tháo rời được gắn quay vào
trong) và đảm bảo được gắn thật chắc.
Bước 2 : Thoa nước muối lên các cảm biến polymer và điểm da đầu cần đo trước khi đeo headset
vào.
Bước 3 : Kiểm tra headset có được sạc đầy đủ , nếu đủ thì ấn vào Power Button
Bước 4 : Kiểm tra các điểm điện cực cần đo AF3 , AF4, T7 , T8 , Pz , được thể hiện ở 4 mức độ
màu :
-

Màu xanh : Good , tín hiệu truyền tốt

-

Màu cam : Poor, tín hiệu truyền khơng ổn

-

Màu đỏ : Bad , tín hiệu tệ, gần như khơng có

-

Màu đen : No signal, khơng có tín hiệu

10


2.

Training Cognitive

Bước 1. Chọn 1 hành động có sẵn từ danh sách đã cho trước ở tab Insight – Detections – Mental
– Command - Training ( ví dụ như Push )

Bước 2:

11


- Chọn Start Training khi subject sẵn sàng để bắt đầu, q trình training kéo dài 8 giây địi hỏi sự
tập trung “cognitive- nhận thức “ , ở quá trình này, chúng ta sẽ chọn 1 động tác hay suy nghĩ để
qui ước cho hành động muốn train
Ví dụ : ở hành động Push, subject nhóm chọn qui ước là tập trung không suy nghĩ để train .

Subject tập trung để train hành động Push

Bước 3. Nếu chấp nhận dữ liệu training, nhấn Yes khi cửa sổ Training Completed hiện ra, nếu
khơng thì chọn Abort Trainging để train lại.

12


3.

Thực hiện Action

Bước 1 . Chọn qua tab Action
Bước 2 . Thực hiện lại những gì đã train cho hành động đó

Ví dụ như hành động Push đã chọn là tập trung, subject sẽ tập trung như lúc train, mức độ tập
trung sẽ được thể hiện qua thanh Power và cường độ của việc đẩy hình khối

IV. KẾT QUẢ
1.

Kết quả thu được

-

Nhóm chọn 2 hành động để thao tác trong Mental Command, là Push và Lift.

-

Bảng qui ước hành động :

13


QUI ƯỚC

ACTION CỦA VẬT

Nháy mắt liên tục

Lift ( Nâng vật )

Tập trung không suy nghĩ

Push ( Vật bị đẩy ra xa và trở nên nhỏ lại )

Thư giãn, không suy nghĩ

Neutral (Vật trở về vị trí chính giữa)



Lift



Khi subject nhắm mở mắt liên tục, vật bị nâng lên cao, thanh trạng thái hiện Lift

14



Push



Khi subject tập trung cao độ không suy nghĩ, vật bị đẩy ra xa và trở nên nhỏ lại,

thanh trạng thái hiện Push

2.

Phân tích, giải thích kết quả

Phương pháp phân tích dữ liệu của Mental command thơng qua hệ BCI sử dụng đầu
vào là tín hiệu EEG :

15


Trong 8 giây huấn luyện, hệ thống sẽ thu nhận tín hiệu quy ước của người dùng và
“gán” tín hiệu đó với các hành động tương ứng.

Tới pha hành động, người dùng thực hiện đúng trạng thái tinh thần đã quy ước lúc
huấn luyện và hệ BCI sẽ nhận diện và cho Input theo quy ước => Di chuyển khối
lập phương.

16

3.

Nhận xét kết quả và quá trình huấn luyện :

Nhìn chung, việc huấn luyện điều khiển vật, mức độ sẽ tăng dần khi số hành động
cần quy ước tăng lên :
_ 1 hành động : mức dễ
_ 2 hành động : mức vừa
_ 3 hành động : mức khó
_ 4 hành động : Chỉ có chuyên gia mới thực hiện được.
Bài tiểu luận của chúng em chọn 2 hành động quy ước nên cũng ở mức vừa, khơng
q khó. Người huấn luyện tập trong nhiều ngày rải rác, tổng thời gian luyện tập xấp
xỉ : 4 tiếng .
Khó khăn :
Quá trình huấn luyện gặp khó khăn ở vấn đề :
+ Việc chọn hành động để quy ước ở pha huấn luyện :
Khi huấn luyện, dù chỉ trong 8 giây nhưng phải cẩn thận : kết nối của các điện cực
phải tốt, người huấn luyện không được phân tâm và quan trong nhất là hành động
quy ước lúc huấn luyện vừa phải phân biệt rõ với trạng thái neutral, vừa có thể dễ
dàng thực hiện lại khi cần.
Có 2 trường hợp có thể xảy ra lúc training :
+ Nếu người huấn luyện tập trung không đủ : phần mềm sẽ nhần lẫn hành động push
và trạng thái neutral. Lúc đó khối lập phương sẽ vẫn chuyển động dù người tham gia
chưa ra hiệu lệnh.
+ Nếu người huấn luyện tập trung 1 cách quá mức : Lúc hành động sẽ khó thực hiện
lại trạng thái tập trung đó. Dẫn đến khối lập phương không chuyển động.

17

4.

Đánh giá:

Có 1 lưu ý quan trọng: Trình mental command của Xavier không phải là BCI dạng
motor-imaginary mà chỉ là sử dụng sự thay đổi các trang thái cơ bản của não
(như tập trung,…) để điều khiển vật.
motor-imaginary là 1 dạng BCI dùng hình ảnh tưởng tượng về hành động của cơ
thể để điều khiển vật. Ví dụ : Nếu muốn dịch chuyển khối lập phương sang trái, ta
tưởng nâng tay trái lên, ….
Lý do Emotiv Insight không thể dùng cho BCI motor-imaginary : Emotiv Insight
thiếu 1 số điện cực quan trọng trong việc thu nhận tín hiệu hành động của cơ thể :
+ C3 và F3 - điện cực thu nhận tín hiệu về chuyển động của phần bên phải cơ thể.
+ C4 và F4 – điện cực thu nhận tín hiệu về chuyển động của phần trái cơ thể.
Hệ máy Emotiv EPOC với 14 điện cực mới có thể thực hiện motor-imaginary BCI.
Thêm vào đó, việc phân biệt chuyển động của tay trái và phải thông qua EEG rất
khó khăn và phần mềm Xavier khơng hỗ trợ tính năng đó.
Như vậy, nếu người huấn luyện quy ước các hành động của tay trái và tay phải trong
lúc huấn luyện, hiệu quả sẽ không cao.

V.

KẾT LUẬN CHUNG

Việc huấn luyện điều khiển vật bằng cách thay đổi các trang thái cơ bản
của não như tập trung khơng q khó khăn. Điều quan trọng là tìm được
quy ước hành động khơng q khó và cũng khơng dễ gây nhầm lẫn.

VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO

18


…

19