Tag Archive for: brain speller

Berkenalan dengan EEG dan P300 Brain Speller

Otak adalah adalah organ vital pada makhluk hidup, terutama manusia yang memiliki akal dalam melakukan segala hal dalam aktivitasnya sehari-hari. Otak dilindungi oleh tengkorak dan selaput otak (meninges). Fungsi otak sendiri disusun oleh miliran sel syaraf yang saling terhubung satu sama lain dan dapat bersinkronisasi dengan tiap bagian-bagian tubuh lain yang kemudian diperantarai oleh sumsum tulang belakang sehingga menjadi pusat perintah dan sistem syaraf pada manusia. Secara umum, otak dibagi menjadi 3 bagian utama yaitu otak besar (cerebrum), otak kecil (cerebellum), serta batang otak (brain stem) seperti yang terlihat pada Gambar 1 berikut.

 

Gambar 1. Bagian otak secara umum [1]

 

Untuk dapat mengamati aktivitas otak, para tenaga medis menggunakan beberapa instrumen medis yang umum dapat ditemukan dibeberapa rumah sakit, seperti Electroencephalograph (EEG), functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), Positron Emission Tomography (PET), dan Magnetoencephalography (MEG). Dari seluruh instrumen-instrumen tersebut, terdapat beberapa kekurangan maupun kelebihan dilihat berdasarkan aspek biaya operasional dan keamanan untuk melakukan pengukuran berulang dalam jangka waktu yang cukup dekat/pendek. Instrumen yang dianggap aman dan tidak memakan biaya yang besar dalam pelaksanaan prosedur medisnya adalah EEG. Teknis prosedur evaluasi EEG tidak memberikan dampak negatif ke tubuh walau dilakukan repetisi dalam jangka waktu yang cukup dekat karena EEG hanya menangkap sinyal aktivitas elektris pada otak yang dikirimkan oleh sel syaraf piramida (pyramidal cells) pada bagian permukaan kepala.

 

Mengapa EEG diperlukan ?. EEG adalah suatu metode untuk merekam aktivitas elektris pada permukaan kepala manusia yang bertujuan untuk menggambarkan aktivitas makroskopik dari permukaan otak manusia (bukan bagian yang lebih dalam / deep brain). EEG dianjurkan untuk digunakan dalam suatu prosedur klinis karena kemampuannya dalam memberikan resolusi temporal yang sangat baik dibandingkan dengan metode yang lainnya (Gambar 2). Namun, perlu dipahami bahwa kekurangan terbesar dari EEG adalah resolusi spasial dan lokalisasi, karena EEG sendiri menangkap seluruh sinyal elektris yang dibangkitkan pada permukaan otak tanpa mengetahui sumber sinyal tersebut.

 

Gambar 2. Penggunaan EEG itu mengetahui aktivitas otak saat tidur [2]

 

Beberapa manfaat penggunaan EEG dalam bidang klinis seperti untuk mendeteksi seizure pada penderita epilepsi, studi tidur, mengetahui adanya kerusakan pada otak, mengamati otak pada pasien Alzheimer, dan untuk proses rehabilitasi maupun assistive technology [3]. Dalam praktiknya, penggunaan EEG untuk mengevaluasi dan memonitoring suatu abnormalitas pada otak sudah menjadi aplikasi yang umum untuk ditemui, namun sebagai assistive technology dalam proses rehabilitasi maupun membantu para penyandang disabilitas memiliki tantangan tersendiri dan masih menjadi perhatian hingga saat ini.

 

Salah satu aplikasi EEG yang sering digunakan untuk membantu para penyandang disabilitas / assistive technology adalah P300 Brain Speller. Mungkin, dilihat dari istilah P300 Brain Speller sendiri akan terkesan sebagai teknologi yang konsepnya akan sangat sulit untuk dicerna, namun dari kata pembentuknya yaitu “Speller” maka alat ini digunakan sebagai “suatu subjek/orang/alat yang mengeja atau melafalkan suatu kata”, atau secara makna berarti cara untuk berkomunikasi atau mengkomunikasikan sesuatu dengan mengeja per kata/karakter tertentu. Begitu juga dengan P300 Brain Speller, yang berarti otak sebagai suatu sarana atau cara untuk berkomunikasi dengan mengeja atau mengeluarkan suatu output secara sekuensial. Secara fundamental, P300 Brain Speller adalah suatu cara untuk mengkomunikasikan suatu hal menggunakan sinyal otak dengan kriteria fitur P300. Apakah itu fitur P300 ?. Untuk mendapatkan gambaran yang lebih jelas, silahkan lihat pada Gambar 3 berikut. Berdasarkan ilustrasi pada Gambar 3, sinyal/fitur P300 adalah sinyal otak yang muncul/terekam dalam bentuk “peak/puncak” dalam rentang waktu 250-300 ms setelah seseorang diberikan stimulasi visual dalam kurun waktu dan frekuensi tertentu. Stimulasi ini dapat berupa repetisi gambar dengan frekuensi kemunculan dalam periode waktu yang tetap dan acak sesuai dengan rancangan eksperimen/prosedur yang telah ditentukan. Dalam kajian neurosains, kemunculan sinyal P300 menunjukkan tingkat atensi otak dalam memperhatikan suatu objek. Semakin tajam dan tinggi tegangan potensial yang dihasilkan atau durasi peak yang cukup lama pada rentang waktu 250-280/300 ms, maka menunjukkan tingkat atensi yang lebih baik.

 

Dengan memanfaatkan prinsip P300 tersebut, implementasi sinyal otak sebagai assistive technology  atau yang lebih umum dikenal dengan istilah Brain Computer Interface (BCI) dapat digunakan untuk menjadi cara berkomunikasi seseorang yang memiliki keterbatasan fisik dan penyakit tertentu (contoh : tetraplegia).

 

Gambar 3. Salah contoh sinyal P300 yang muncul saat direkam menggunakan EEG [4]

 

Untuk menggambarkan implementasi teknologi ini dapat dilihat pada Gambar 4 berikut.

 

Gambar 4. Contoh penerapan P300 Brain Speller sebagai cara berkomunikasi melalui bantuan komputer (Brain Computer Interface/BCI) [5].

 

P300 Brain Speller menggunakan suatu kumpulan instruksi (dapat berupa gambar maupun karakter alpha numericals) yang kemudian kita sebut sebagai Speller. Speller akan ditampilkan secara acak dan bergantian berulang ditiap-tiap karakter, subyek diminta fokus pada huruf, angka, atau karakter yang ingin dipilih. Setelah diproses oleh sekumpulan prosedur, output yang dihasilkan adalah karakter yang dipilih berdasarkan hasil atensi/fokus seseorang terhadap suatu karakter menggunakan gelombang otak yang direkam oleh EEG yang selanjutnya dapat ditampilkan dan ditunjukkan dengan tampilan tertentu, seperti menjadi suatu karakter yang tertampil pada layar untuk menjadi sistem perintah/pengetikkan secara otomatis berdasarkan fitur P300 yang diekstraksi melalui beberapa proses yang cukup panjang dan kompleks.

Untuk dapat mengenali suatu pola atau memberikan output seperti pada Gambar 4 tersebut, proses yang berlangsung memiliki beberapa tahapan sekuensial. Selain itu, dari proses tersebut dapat terlihat bahwa beberapa bidang keilmuan sangat dibutuhkan, seperti programmer, tenaga medis, perancangan sistem instrumentasi, hingga data scientist untuk membangun model sistem klasifikasinya.

Saat pemberian stimulasi, karakter atau huruf dimunculkan secara random dengan frekuensi kemunculan yang diberikan adalah tetap. Kemudian, otak akan merespon dengan melepaskan atau mengeluarkan sinyal elektris dengan pola tertentu dan direkam oleh EEG. Setelah itu, sinyal otak yang telah direkam oleh EEG akan diolah pada tahapan pre-processing untuk menghilangkan gangguan-gangguan atau mengurangi interferensi sinyal yang tidak diinginkan (contoh: powerline interference 50/60 Hz, gerak tubuh, otot wajah, eye blink, dan lainnya). Setelah itu, dengan menggunakan teknik matematika tertentu, probabilitas dan statistik, computational programming dan sejenisnya, selanjutkan akan dilanjutkan dengan ekstraksi fitur/ciri dari tiap karakter yang menjadi fokus dari subyek tersebut dan digunakan sebagai fitur untuk membedakan dengan karakter yang satu dengan yang lainnya (contoh : karakteristik fitur sinyal P300 untuk huruf A, B, C, dan lainnya). Dan sebagai proses akhir, P300 Brain Speller membutuhkan algoritme pengenalan pola atau classifier untuk membedakan tiap fitur untuk masing-masing karakter atau huruf yang setelah dikenali akan ditampilkan dalam bentuk tampilan visual (monitor), seperti mengeluarkan huruf maupun perintah tertentu yang ditampilkan dalam bentuk visual sehingga dapat dipahami dan dibaca oleh orang lain.

Tentu saja, teknologi ini akan sangat bergantung pada kemampuan seseorang dalam berkonsentrasi dan hal ini juga dapat menyebabkan seseorang akan cepat lelah untuk dapat mengkomunikasikan sesuatu kepada orang lainnya yang tidak memiliki kemampuan berkomunikasi verbal maupun fisik. Namun, teknologi ini akan menjadi sangat bermanfaat bagi para pihak-pihak penyandang disabilitas yang hanya memiliki otak sebagai sarana untuk hidup dan berinteraksi disaat seluruh bagian tubuhnya yang lain sudah tidak dapat digerakkan kembali. Kedepannya, tantangan dari implementasi teknologi ini berkaitan dengan pengembangan devais EEG yang portable dan wireless, sehingga dapat digunakan tanpa terhubung dengan alat konvensional yang menyebabkan sulit untuk digunakan pada kegiatan sehari-hari. Teknologi BCI tidak hanya terhenti pada P300 Brain Speller, namun sudah merambah pada dunia computer game, sistem kendali atau kontroler, hingga alat ukur kognitif untuk evaluasi klinis maupun psikologis. Studi terkait EEG masih terbuka lebar, terutama di Indonesia.

 

Info Penulis

Nama : Alvin Sahroni

Bidang Peminatan : Brain ScienceBiosignal Processing, Cardiovascular

E-mail : [email protected]

 

Referensi:

Featured Image : https://techxplore.com/news/2020-10-brain-computer-interface-spellers.html

[1] https://www.pngegg.com/id/png-evkak/download

[2] https://www.halodoc.com/artikel/ketahui-penjelasan-tentang-electroencephalography-eeg

[2] Michel, C. M., & Murray, M. M. (2012). Towards the utilization of EEG as a brain imaging tool. Neuroimage61(2), 371-385.

[4] Kindermans, P. J., Verstraeten, D., & Schrauwen, B. (2012). A bayesian model for exploiting application constraints to enable unsupervised training of a P300-based BCI. PloS one7(4), e33758.

[5] https://www.kurzweilai.net/fastest-brain-computer-interface-speller-developed