Возвращая контроль: Персонализированный интерфейс для управления компьютером силой мысли

Автор: Денис Аветисян

В статье представлена долгосрочная оценка системы, позволяющей парализованному пользователю самостоятельно общаться и управлять компьютером благодаря адаптивному интерфейсу ‘мозг-компьютер’.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Система T15 обеспечивает пользователю возможность гибкого управления курсором посредством нейронного интерфейса и отслеживания взгляда, позволяя переключаться между этими режимами через меню и использовать выбранный метод для взаимодействия с личным компьютером, а также осуществлять калибровку нейронного управления курсором непосредственно из этого же меню.

Разработанный интерфейс объединяет декодирование нейронных сигналов, синтез речи и управление курсором, демонстрируя важность пользовательского подхода в создании систем помощи.

Современные технологии коммуникации и управления компьютером, необходимые для независимой жизни, часто недоступны людям с параличом. В данной работе, посвященной разработке ‘A Personalized and Adaptable User Interface for a Speech and Cursor Brain-Computer Interface’, представлен персонализированный интерфейс для инвазивной нейрокомпьютерной системы, позволяющий пользователям с тяжелым параличом самостоятельно общаться и управлять компьютером. Длительное 22-месячное наблюдение за одним участником показало, что адаптивность и индивидуальный подход к интерфейсу обеспечивают независимость в повседневной жизни. Какие принципы пользовательского проектирования и адаптации интерфейсов наиболее важны для создания эффективных нейрокомпьютерных систем, улучшающих качество жизни людей с ограниченными возможностями?

Восстановление Голоса: Вызовы Коммуникации для Парализованных

Заболевания, такие как боковой амиотрофический склероз (БАС) и тетраплегия, часто приводят к сочетанию паралича и нарушений речи, что значительно ограничивает возможности коммуникации у пациентов. Потеря способности говорить и двигаться лишает человека возможности выражать свои потребности, мысли и чувства, что приводит к социальной изоляции и снижению качества жизни. Эта двойная потеря функций представляет собой серьезную проблему, поскольку традиционные средства общения могут быть медленными, громоздкими или неадекватными для полноценного выражения мыслей. В результате пациенты сталкиваются с трудностями в повседневном общении, что требует разработки инновационных решений, направленных на восстановление утраченной способности к эффективной коммуникации.

Существующие вспомогательные технологии, предназначенные для коммуникации парализованных людей, зачастую оказываются недостаточно эффективными и естественными. Традиционные системы, такие как устройства, управляемые взглядом или движениями головы, требуют значительных усилий и времени для набора даже простых фраз, что существенно ограничивает скорость и плавность общения. Более того, они часто не позволяют передать нюансы речи, такие как интонация и эмоциональная окраска, что приводит к потере важной информации и затрудняет социальное взаимодействие. Несмотря на прогресс в области разработки подобных устройств, многие пациенты испытывают трудности с их освоением и ежедневным использованием, что подчеркивает необходимость поиска принципиально новых подходов к восстановлению коммуникативных возможностей.

Восстановление способности к коммуникации для людей, страдающих от паралича, требует разработки принципиально новых подходов, обходящих поврежденные нейронные пути. Исследования направлены на прямое декодирование намерений, формирующихся в мозге, и преобразование их в речь или текст. Это позволяет обойти физические ограничения, вызванные заболеваниями, такими как боковой амиотрофический склероз или тетраплегия, и вернуть пациентам возможность выражать свои мысли и потребности. Разработка таких технологий, использующих нейроинтерфейсы и алгоритмы машинного обучения, имеет решающее значение для восстановления независимости и улучшения качества жизни людей, лишенных возможности говорить.

Схема интракортикального интерфейса мозг-компьютер демонстрирует, как микроэлектродные матрицы, имплантированные в двигательную кору, передают нейронные сигналы на компьютер для декодирования в текст, как это видно на примере участника T15, использующего систему и просматривающего декодированные предложения на мониторе.

Архитектура Речевой BCI-Системы: Декодирование Намерений

Система речевого интерфейса «мозг-компьютер» (BCI) использует технологию Brain-Computer Interface, в которой для регистрации нейронных сигналов непосредственно из мозга применяются интракортикальные микроэлектродные матрицы. Эти матрицы состоят из множества микроэлектродов, имплантированных в кору головного мозга, в области, отвечающие за речевую функцию. Зарегистрированные сигналы представляют собой электрическую активность нейронов, вызванную попытками пользователя произнести слова или фразы. Разрешение и стабильность получаемых сигналов напрямую зависят от плотности и качества микроэлектродных массивов, а также от продолжительности их имплантации. Данные, полученные с этих массивов, затем подвергаются обработке и анализу для декодирования намерений пользователя.

Для декодирования нейронной активности в речь используются сложные алгоритмы обработки, включающие архитектуру Transformer, N-граммные языковые модели и большие языковые модели (LLM). Архитектура Transformer обеспечивает эффективное моделирование последовательностей и контекстных зависимостей в нейронных сигналах. N-граммные модели, анализируя вероятности последовательностей фонетических элементов, позволяют прогнозировать наиболее вероятные фонемы. Большие языковые модели, обученные на обширных текстовых корпусах, применяются для повышения связности и грамматической корректности декодированной речи, а также для разрешения неоднозначностей, возникающих при интерпретации нейронных сигналов. Комбинированное использование этих методов позволяет достичь высокой точности и разборчивости декодированной речи.

Интегрированное управление курсором позволяет пользователям взаимодействовать с компьютером посредством системы Speech BCI. Данная функциональность реализуется для обеспечения выполнения стандартных компьютерных задач, таких как составление электронных писем и просмотр веб-страниц. В процессе декодирования речи, система преобразует нейронные сигналы в команды управления курсором, позволяя пользователю выбирать опции, вводить текст и перемещаться по интерфейсу компьютера без использования традиционных средств ввода. Точность и скорость управления курсором напрямую зависят от качества декодирования нейронных сигналов и эффективности алгоритмов обработки данных.

Программная платформа BRAND, функционирующая на основе конечного автомата (конечного автомата), обеспечивает управление различными состояниями системы и переходами между ними. Конечный автомат определяет набор дискретных состояний, отражающих текущий режим работы системы (например, калибровка, декодирование речи, управление курсором). Переходы между состояниями инициируются событиями, такими как успешное завершение калибровки или обнаружение намерения пользователя. Управление переходами осуществляется посредством логики, встроенной в конечный автомат, гарантируя последовательное и предсказуемое поведение системы. Это позволяет платформе BRAND эффективно обрабатывать входящие нейронные сигналы, осуществлять декодирование речи и обеспечивать взаимодействие пользователя с компьютером, поддерживая стабильную и надежную работу всей системы «мозг-компьютер».

Конечный автомат интерфейса «мозг-компьютер» для участника T15 демонстрирует последовательность состояний и способы перехода между ними, обеспечивая управление системой.

Персонализированный Дизайн и Валидация: Ориентация на Пользователя

Процесс со-дизайна является ключевым фактором успеха системы, обеспечивая непрерывное взаимодействие с пользователем для адаптации системы к его индивидуальным потребностям и возможностям. Этот подход предполагает активное вовлечение пользователя на всех этапах разработки — от определения требований и проектирования интерфейса до тестирования и внесения изменений. Постоянная обратная связь от пользователя позволяет точно настроить функциональность и интерфейс, максимизируя удобство использования и эффективность системы для конкретного индивидуума. Со-дизайн предполагает итеративный процесс, в котором прототипы системы тестируются и дорабатываются на основе пользовательских отзывов, гарантируя соответствие системы реальным потребностям и предпочтениям.

Оценка производительности и удобства использования системы проводилась посредством двух основных методик: оценки выполнения личных задач (Personal Use Task Evaluation) и оценки с использованием вспомогательных технологий (Assistive Technology Assessment). Оценка выполнения личных задач включала наблюдение за пользователями при решении ими типичных задач в реальных условиях, с акцентом на скорость, точность и возникающие трудности. Оценка с использованием вспомогательных технологий анализировала совместимость и интеграцию системы с различными вспомогательными устройствами, такими как программы экранного доступа и альтернативные устройства ввода, для обеспечения доступности для пользователей с ограниченными возможностями. Обе методики позволили получить объективные данные о функциональности и эргономике системы.

Для сбора обратной связи от пользователей и обеспечения итеративного улучшения и оптимизации системы применялся опросник, разработанный на основе принципов пользовательского проектирования (User-Centered Design Questionnaire). Опросник включал в себя вопросы, направленные на оценку удобства использования, понятности интерфейса и соответствия системы потребностям пользователя. Полученные данные анализировались для выявления проблемных областей и приоритетных направлений для доработки, что позволило циклически улучшать функциональность и пользовательский опыт в процессе разработки и тестирования.

В ходе лонгитюдного исследования, продолжавшегося 22 месяца, оценивалась долгосрочная жизнеспособность и эффективность системы с участием одного испытуемого. Результаты показали, что участник демонстрировал стабильное ежедневное использование системы на протяжении всего периода наблюдения. Данный факт подтверждает не только техническую работоспособность системы, но и ее применимость в реальных условиях повседневной жизни, а также способность адаптироваться к изменяющимся потребностям пользователя в течение длительного времени. Отсутствие снижения частоты использования свидетельствует о высокой степени удовлетворенности и полезности системы для пользователя.

Данные пользовательского интервью, собранные с участником T15 трижды в течение года, демонстрируют динамику восприятия и изменений во времени.

Реальное Влияние и Перспективы Развития

Долгосрочное исследование выявило высокую степень удовлетворенности участников работой системы речевого интерфейса «мозг-компьютер», что свидетельствует о значительном улучшении их независимости и качества жизни. В среднем, участник использовал систему по 10 часов в день, применяя ее в различных сферах — от коммуникации и до работы и досуга. Это демонстрирует не только техническую работоспособность устройства, но и его интеграцию в повседневную жизнь, позволяя пользователям активно участвовать в широком спектре деятельности и поддерживать социальные связи, что существенно повышает их уровень самостоятельности и благополучия.

Система, разработанная для преобразования мозговой активности в текст, значительно повышает точность и ясность коммуникации благодаря функции автоматической коррекции предложений. Исследования показали, что в 76% случаев ручная корректировка набранного текста успешно выполняется пользователем при помощи системы, что свидетельствует о её высокой эффективности в исправлении ошибок и улучшении качества передаваемой информации. Эта возможность особенно важна для людей с ограниченными двигательными способностями, позволяя им более свободно и уверенно выражать свои мысли и идеи без значительных затруднений, связанных с неточностями ввода.

Разработка системы, основанная на принципах дизайна, ориентированного на возможности пользователя, позволила создать устройство, способное адаптироваться к индивидуальным потребностям каждого. В отличие от традиционных подходов, фокусирующихся на ограничениях, данная методология акцентирует внимание на сильных сторонах и потенциале пользователя. Это привело к созданию системы, которая не только функциональна, но и интуитивно понятна, позволяя людям с различными возможностями эффективно взаимодействовать с ней. Такой подход гарантирует, что система не является универсальным решением, а настраивается под конкретного человека, максимально повышая его независимость и качество жизни. Благодаря этому, система оказалась доступна и эффективна для широкого круга пользователей, что является ключевым фактором успеха данной технологии.

Исследования показали, что функция автоматической коррекции слов использовалась в подавляющем большинстве — 91,2% — успешно исправленных предложений. Этот результат демонстрирует высокую эффективность разработанного механизма в улучшении точности и ясности коммуникации для пользователей системы. Данная особенность позволяет значительно снизить количество ошибок, возникающих при преобразовании мозговых сигналов в текст, обеспечивая более плавный и естественный процесс общения. Внедрение подобной коррекции на уровне отдельных слов оказалось ключевым фактором повышения удобства использования и общей продуктивности системы, позволяя пользователям более уверенно выражать свои мысли и идеи.

Дальнейшие исследования направлены на усовершенствование алгоритмов обработки речи, что позволит повысить точность и скорость работы системы. Особое внимание будет уделено расширению словарного запаса, включая специализированную лексику и сленг, для адаптации к различным контекстам общения. Помимо этого, планируется изучение возможностей применения данной технологии в новых областях, таких как управление протезами, взаимодействие с «умным домом» и создание более интуитивных интерфейсов для людей с ограниченными возможностями. Развитие системы в этих направлениях обещает значительно расширить спектр её применения и улучшить качество жизни пользователей, предоставляя им больше свободы и независимости.

Участник T15 успешно использовал интерфейс «мозг-компьютер» на различных платформах, включая iPad и iMac, сохраняя единообразную структуру пользовательского интерфейса и функциональность, такую как экран простоя, меню и коррекция предложений.

Исследование демонстрирует, что эффективная система взаимодействия «мозг-компьютер» требует не просто технологической реализации, но и глубокого понимания потребностей пользователя. Разработанный интерфейс, позволяющий человеку с параличом самостоятельно общаться и управлять компьютером, подчеркивает важность адаптивности и персонализации. Как заметил Бертран Рассел: «Всё, что действительно важно, должно быть простым». В данном случае, сложность нейронного декодирования и синтеза речи нивелируется благодаря интуитивно понятному и настраиваемому интерфейсу, что подтверждает тезис о том, что хорошо спроектированная система функционирует как единый организм, где каждая часть взаимосвязана и служит общей цели. Архитектура подобного устройства — это искусство выбора того, чем пожертвовать ради достижения максимальной функциональности и удобства для пользователя.

Куда же дальше?

Представленная работа демонстрирует, что элегантное решение для восстановления утраченных функций возможно, но не без оговорок. Инфраструктура интерфейса “мозг-компьютер” должна развиваться, подобно городу: новые функции добавляться без необходимости перестраивать весь квартал. Персонализация и адаптация, безусловно, ключевые факторы, однако, сложность декодирования нейронных сигналов и поддержание стабильной работы имплантируемых систем остаются серьезными препятствиями. Необходимо глубже изучать долгосрочные изменения в нейронной активности и разрабатывать алгоритмы, способные компенсировать эти изменения без постоянной перекалибровки.

Особое внимание следует уделить не только функциональности, но и удобству использования. Простота и интуитивность интерфейса — это не просто желательные качества, а необходимость, если мы стремимся к истинно автономному использованию. Вместо погони за все более сложными алгоритмами декодирования, возможно, стоит сосредоточиться на разработке более эффективных способов передачи информации, которые требуют меньшей вычислительной мощности и более устойчивы к шумам.

В конечном счете, успех в этой области зависит не только от технологических достижений, но и от понимания того, как мозг адаптируется к новым возможностям. Разработка систем, которые не просто заменяют утраченные функции, но и расширяют возможности пользователя — это задача, требующая междисциплинарного подхода и глубокого понимания нейробиологии, информатики и эргономики.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.19269.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-28 06:27