HCI (Human-Computer Interaction)

Trudno sobie wyobrazić dzisiejszy świat bez komputerów. Towarzyszą one człowiekowi w niemal każdej dziedzinie życia – jest ich coraz więcej, są coraz szybsze. Mniej więcej co 18 - 24 miesięcy ich moc obliczeniowa wzrasta dwukrotnie. Szacuje się, że za kilkanaście lat liczba urządzeń zawierających procesor i znajdujących się w najbliższym otoczeniu człowieka (lub wręcz zintegrowanych z odzieżą) wzrośnie nawet do kilkudziesięciu. Wraz ze wzrostem liczby urządzeń procesorowych i ich mocy obliczeniowej, a tym samym ilości przetwarzanych danych, rośnie potrzeba poszukiwania nowych, bardziej efektywnych sposobów wymiany informacji, zarówno pomiędzy urządzeniami, jak i między urządzeniem a jego otoczeniem, a w szczególności między urządzeniem a człowiekiem.

Niemal od początku istnienia komputerów (lub ogólniej – urządzeń procesorowych), urządzenia te przekazują człowiekowi informacje w postaci wizualnej, np.: lampki sygnalizacyjne, wyświetlacz, monitor. Taki sposób komunikacji wydaje się być najwygodniejszy dla człowieka, ponieważ około 90% informacji o otaczającym świecie człowiek zdobywa za pomocą zmysłu wzroku. Człowiek z kolei przekazuje informacje komputerowi najczęściej za pomocą klawiatury lub myszy, co nie jest najwygodniejszym sposobem, a przynajmniej nie tak naturalnym jak odbieranie informacji za pomocą zmysłu wzroku lub słuchu. Dlatego też od wielu lat trwają prace nad urządzeniami HCI obejmującymi tzw. „inteligentne” interfejsy, które dzięki odpowiedniemu dopasowaniu do naturalnego sposobu komunikowania się człowieka z otoczeniem cechują się większą funkcjonalnością, wygodą lub szybkością komunikacji w porównaniu z interfejsami tradycyjnymi (np. klawiaturą). Do tej grupy urządzeń można zaliczyć np. specjalne pióro do programów graficznych, manipulator w postaci rękawicy do poruszania się w wirtualnym świecie, czy urządzenie rozpoznające polecenia głosowe. Są to jednak specjalizowane interfejsy, przeznaczone do konkretnych aplikacji, a do pełnej komunikacji z komputerem nadal używane są klawiatura i mysz.

Większość z wymienionych interfejsów wymaga od użytkownika wykonywania pewnego ruchu podczas korzystania z nich, np. naciśnięcie przycisku, przesunięcie myszy. Jest jednak pewna grupa osób, dla których wykonywanie ruchów potrzebnych do obsługi urządzenia może nastręczać pewne trudności, bądź jest niemożliwe. Mogą to być np. osoby kierujące pojazdami (kierowcy, piloci samolotów), które muszą jednocześnie obsługiwać urządzenia kontrolne (np. komputer pokładowy). Inną ważną grupę stanowią osoby niepełnosprawne, w tym całkowicie sparaliżowane, dla których zapewnienie komunikacji z komputerem lub innymi urządzeniami (np. sprzęt AGD, RTV, wózek inwalidzki, urządzenia sterujące tzw. inteligentnym domem) może znacząco poprawić komfort codziennego życia.

BCI (Brain-Computer Interface)

Rozwiązanie wspomnianych problemów mogą stanowić interfejsy BCI, nad którymi od kilkunastu lat prowadzone są badania, potwierdzające ich przydatność w komunikacji człowieka z komputerem i innymi urządzeniami technicznymi. Zgodnie z definicją BCI, działanie tych interfejsów opiera się wyłącznie na analizie aktywności mózgu (np. zapis EEG) i nie jest zależne od aktywności innych nerwów lub mięśni. Urządzenia te niejako „odgadują” intencje użytkownika, a tym samym zwalniają go z konieczności wyrażania tych intencji za pomocą gestów, ruchów, czy wypowiadanych słów. Wśród urządzeń wspierających osoby niepełnosprawne, a w szczególności osoby całkowicie sparaliżowane, interfejsy BCI wydają się bezkonkurencyjne, jednak ich funkcjonalność jest ciągle daleka od oczekiwań, co motywuje do poszukiwania nowych rozwiązań, umożliwiających znaczną poprawę ich parametrów, takich jak np. szybkość i niezawodność.

“A brain–computer interface is a communication system that does not depend on the brain’s normal output pathways of peripheral nerves and muscles.”

Nazwa interfejsów BCI może sugerować, że służą one jedynie do komunikacji człowieka z komputerem, jednak powyższa definicja określa je ogólnie jako system komunikacji. Oznacza to, że urządzenie BCI można z powodzeniem zastosować do sterowania dowolnym urządzeniem, nie tylko elektronicznym, co pozwala szerzej spojrzeć na potencjalne korzyści związane z udoskonalaniem tego typu interfejsów. W praktyce jednak, aktualny poziom technologiczny ogranicza ich funkcjonalność tak, że mogą one pełnić jedynie funkcję prostej klawiatury lub manipulatora (np. myszy), oraz zawęża grupę użytkowników głównie do osób niepełnosprawnych. Definicja BCI nie określa również, w jaki sposób jest rejestrowana aktywność kory mózgowej. Najczęściej stosuje się rejestrację sygnałów elektrycznych z powierzchni skóry głowy (zapis EEG), ze względu na relatywnie niski koszt urządzeń pomiarowych oraz nieinwazyjność pomiaru. Rejestrowane w ten sposób sygnały reprezentują uśrednioną aktywność neuronów dużych obszarów kory mózgowej (o polu powierzchni rzędu kilku cm2). Zawierają one stosunkowo mało informacji, co prowadzi do wspomnianych wcześniej ograniczeń. Inne metody, jak np. tomografia komputerowa, magnetoencefalografia (MEG), czy rejestracja z elektrod implantowanych, umożliwiają uzyskanie większej ilości informacji, przez co funkcjonalność interfejsów BCI wykorzystujących te metody może być znacznie większa. Sygnały uzyskane w ten sposób są jednak trudniejsze w interpretacji i analizie. Ponadto, prowadzenie pomiarów wymaga przeprowadzenia zabiegu chirurgicznego (wszczepianie elektrod) lub stosowania skomplikowanych i drogich urządzeń, często o bardzo dużych rozmiarach (np. tomograf rezonansu magnetycznego, magnetoencefalograf).

Zasada działania systemów BCI

Obecne systemy BCI opierają się na różnych metodach analizy sygnału EEG i różnią się sposobem implementacji (urządzenie autonomiczne, program komputerowy współpracujący z urządzeniem pomiarowym), jednak ich podstawowe bloki funkcjonalne są takie same. System BCI składa się trzech zasadniczych bloków: pomiarowego, analizującego i wykonawczego. Blok pomiarowy stanowi najczęściej oddzielne urządzenie pomiarowe umożliwiające jednoczesną rejestrację z wielu elektrod (liczba kanałów pomiarowych zależy od przyjętej metody analizy). Mierzone sygnały są odpowiednio wzmacniane, filtrowane w celu ograniczenia szerokości pasma (zazwyczaj do zakresu 1 – 100Hz) oraz zamieniane na postać cyfrową. Rejestrowany sygnał jest dalej przekazywany do bloku analizującego, którego zadaniem jest wydobycie z sygnału EEG informacji związanych z intencją użytkownika i na ich podstawie podjęcie decyzji o wykonaniu określonego polecenia. Decyzja ta jest przekazywana do bloku wykonawczego, który realizuje polecenie (np. wprowadza wybrany znak z klawiatury, przesuwa wskaźnik myszy). Blok ten może również przekazać użytkownikowi informację o wykonanym poleceniu (np. określony sygnał dźwiękowy) w przypadku, gdy polecenie wykonywane jest w sposób niewidoczny dla użytkownika (np. zmiana ustawień urządzenia). Służy to przede wszystkim do zweryfikowania poprawności decyzji podjętej przez blok analizujący i jego ewentualnej korekty.

W niektórych systemach BCI, oprócz informacji o wykonaniu polecenia, użytkownik może również otrzymywać dodatkową informację o przebiegu procesu decyzyjnego bezpośrednio z bloku analizującego (a więc jeszcze przed podjęciem decyzji), co może być wykorzystane przez użytkownika do świadomej zmiany pewnych parametrów sygnału EEG, a tym samym do zmniejszenia ryzyka podjęcia błędnej decyzji (oczywiście wymaga to odpowiedniego przeszkolenia użytkownika). Jest to tzw. biosprzężenie zwrotne (ang. biofeedback), które może znacząco poprawić jakość komunikacji człowiek – urządzenie. Pewna grupa urządzeń BCI, wykorzystujących analizę tzw. potencjałów wywołanych (ang. evoked potentials), wymaga również przekazywania użytkownikowi specjalnych bodźców, najczęściej wzrokowych, które stymulują korę mózgową w ściśle określony sposób i są niezbędne do prawidłowego działania urządzenia.