वायुजनित अल्ट्रासोनिक स्पर्शीय डिस्प्ले ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस प्रतिमान

विषय सूची

1. परिचय

ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस (बीसीआई) परंपरागत रूप से दृश्य, श्रवण, या मोटर इमेजरी प्रतिमानों पर निर्भर रहे हैं जिनके लिए व्यापक उपयोगकर्ता प्रशिक्षण और अक्षुण्ण संवेदी क्षमताओं की आवश्यकता होती है। यह शोध एक अधिक सुलभ और स्वच्छ बीसीआई प्रतिमान बनाने के लिए संपर्क-रहित वायुजनित अल्ट्रासोनिक स्पर्शीय डिस्प्ले (एयूटीडी) प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए एक नवीन दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है।

2. सामग्री और विधियाँ

2.1 प्रायोगिक सेटअप

तेरह पुरुष स्वयंसेवक बीसीआई उपयोगकर्ताओं (औसत आयु 28.54 ± 7.96 वर्ष) ने जापान में कई शोध संस्थानों में आयोजित प्रयोगों में भाग लिया। अध्ययन डब्ल्यूएमए हेलसिंकी घोषणा दिशानिर्देशों का पालन करता है और इसकी नैतिक स्वीकृति प्राप्त हुई थी।

2.2 एयूटीडी प्रौद्योगिकी

एयूटीडी उद्दीपन जनरेटर फेज्ड ऐरे तकनीक का उपयोग करके केंद्रित अल्ट्रासाउंड के माध्यम से कंपन स्पर्शीय संपर्क-रहित उद्दीपन उत्पन्न करता है। विकिरण दबाव $P_r$ की गणना इस प्रकार की जाती है:

$$P_r = \\frac{I}{c} = \\frac{p^2}{\\rho c}$$

जहाँ $I$ ध्वनि तीव्रता है, $c$ ध्वनि की गति है, $p$ ध्वनि दबाव है, और $\\rho$ वायु घनत्व है। डिवाइस अनुमत त्वचा अवशोषण सीमा से 40 गुना कम पर संचालित होता है, जिससे सुरक्षा सुनिश्चित होती है।

2.3 सिग्नल प्रोसेसिंग

ईईजी सिग्नलों को फीचर निष्कर्षण के लिए कॉमन स्पेशियल पैटर्न (सीएसपी) एल्गोरिदम का उपयोग करके प्रोसेस किया गया। स्थानिक फिल्टर $W$ सामान्यीकृत आइगेनवैल्यू समस्या को हल करके प्राप्त किया जाता है:

$$\\Sigma_1 W = \\Lambda \\Sigma_2 W$$

जहाँ $\\Sigma_1$ और $\\Sigma_2$ दो वर्गों के सहप्रसरण मैट्रिक्स हैं।

3. परिणाम और निष्कर्ष

3.1 प्रदर्शन तुलना

एयूटीडी-आधारित बीसीआई (autdBCI) ने ऑनलाइन प्रयोगों में पारंपरिक कंपन स्पर्श ट्रांसड्यूसर-आधारित बीसीआई (vtBCI) के बराबर प्रदर्शन प्रदर्शित किया। दोनों प्रतिमानों ने संयोग स्तर से ऊपर वर्गीकरण सटीकता प्राप्त की, जिससे संपर्क-रहित स्पर्शीय बीसीआई की व्यवहार्यता सत्यापित हुई।

3.2 सांख्यिकीय विश्लेषण

सांख्यिकीय विश्लेषण से autdBCI और vtBCI प्रतिमानों के बीच वर्गीकरण सटीकता में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं पाया गया (p > 0.05), जो यह सुझाव देता है कि संपर्क-रहित उद्दीपन बीसीआई अनुप्रयोगों के लिए दैहिक संवेदी मस्तिष्क प्रतिक्रियाओं को प्रभावी ढंग से उत्पन्न कर सकता है।

4. तकनीकी विश्लेषण

यह शोध गैर-आक्रामक बीसीआई प्रौद्योगिकी में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। एयूटीडी दृष्टिकोण पारंपरिक स्पर्शीय बीसीआई की महत्वपूर्ण सीमाओं, विशेष रूप से दीर्घकालिक उपयोग के लिए स्वच्छता और आराम से संबंधित, को संबोधित करता है। साइकलजीएएन के छवि अनुवाद कार्यों पर परिवर्तनकारी प्रभाव (Zhu et al., 2017) के समान, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि कैसे नवीन संवेदी उद्दीपन विधियाँ बीसीआई क्षमताओं का विस्तार कर सकती हैं।

उपयोग की गई फेज्ड ऐरे अल्ट्रासाउंड प्रौद्योगिकी चिकित्सा अल्ट्रासाउंड इमेजिंग सिस्टम के सिद्धांतों को साझा करती है, लेकिन उन्हें रचनात्मक रूप से स्पर्शीय उद्दीपन के लिए लागू करती है। आईईईई ट्रांजैक्शन्स ऑन हैप्टिक्स के शोध के अनुसार, अल्ट्रासोनिक मिड-एयर हैप्टिक्स ने विभिन्न अनुप्रयोगों में वादा दिखाया है, लेकिन यह अध्ययन बीसीआई उद्देश्यों के लिए पहले कार्यान्वयनों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है।

विकिरण दबाव प्रभाव की गणितीय नींव सुस्थापित ध्वनिक सिद्धांतों का अनुसरण करती है, जहाँ प्रति इकाई क्षेत्र बल $F/A$ ध्वनिक तीव्रता $I$ के समानुपाती होता है: $F/A = I/c$। यह भौतिक सिद्धांत संपर्क-रहित उद्दीपन को सक्षम बनाता है जो इस शोध के मूल नवाचार का गठन करता है।

सिग्नल प्रोसेसिंग के दृष्टिकोण से, अध्ययन स्थापित ईईजी वर्गीकरण पद्धतियों, विशेष रूप से कॉमन स्पेशियल पैटर्न (Ramoser et al., 2000), पर आधारित है, और उन्हें अल्ट्रासोनिक उद्दीपन द्वारा उत्पन्न नवीन दैहिक संवेदी उत्पन्न विभवों के लिए अनुकूलित करता है।

5. कोड कार्यान्वयन

नीचे एयूटीडी नियंत्रण प्रणाली का एक सरलीकृत स्यूडोकोड कार्यान्वयन दिया गया है:

class AUTDController:
    def __init__(self, transducer_count):
        self.transducers = [Transducer() for _ in range(transducer_count)]
        self.frequency = 50  # Hz
        
    def set_focal_point(self, x, y, z):
        """Set focal point using phased array technique"""
        phases = self.calculate_phases(x, y, z)
        for i, transducer in enumerate(self.transducers):
            transducer.set_phase(phases[i])
    
    def calculate_phases(self, x, y, z):
        """Calculate phase shifts for focal point"""
        phases = []
        for transducer in self.transducers:
            distance = self.calculate_distance(transducer.position, (x,y,z))
            phase_shift = (distance % wavelength) * 360 / wavelength
            phases.append(phase_shift)
        return phases
    
    def generate_stimulus(self, pattern, duration):
        """Generate tactile stimulation pattern"""
        for position in pattern:
            self.set_focal_point(*position)
            self.activate_transducers(duration)

6. भविष्य के अनुप्रयोग

एयूटीडी-बीसीआई प्रतिमान भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए कई संभावनाएं खोलता है:

• चिकित्सा पुनर्वास: लॉक्ड-इन सिंड्रोम रोगियों के लिए जो पारंपरिक बीसीआई का उपयोग नहीं कर सकते
• गेमिंग और मनोरंजन: संपर्क-रहित हैप्टिक प्रतिक्रिया के साथ बढ़ी हुई इमर्सिव अनुभव
• आभासी वास्तविकता: बहु-संवेदी अनुभवों के लिए वीआर सिस्टम के साथ एकीकरण
• सहायक प्रौद्योगिकी: गंभीर रूप से विकलांग व्यक्तियों के लिए संचार प्रणालियाँ

भविष्य के शोध दिशाओं में स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में सुधार, बहु-बिंदु उद्दीपन क्षमताओं का विकास, और हाइब्रिड सिस्टम के लिए अन्य बीसीआई मॉडैलिटीज़ के साथ एकीकरण शामिल है।

7. संदर्भ

1. Hamada, K., Mori, H., Shinoda, H., & Rutkowski, T. M. (2014). Airborne Ultrasonic Tactile Display Brain-Computer Interface Paradigm. arXiv:1404.4184
2. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE ICCV
3. Ramoser, H., Muller-Gerking, J., & Pfurtscheller, G. (2000). Optimal spatial filtering of single trial EEG during imagined hand movement. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering
4. IEEE Transactions on Haptics. (2020). Advances in Mid-Air Haptic Technology
5. Mori, H., et al. (2012). Vibrotactile Stimuli for Brain-Computer Interface. Journal of Neural Engineering