انسان کامپیوتر سنجش مغز طیف مادون قرمز

انسان کامپیوتر سنجش مغز طیف مادون قرمز – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه کامپیوتر

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

تعامل انسان – کامپیوتر و سنجش مغز با استفاده از طیف بینی مادون قرمز – نزدیک کاربردی

چکیده

طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) بعنوان یکی از ابزارهای تصویر برداری غیرتهاجمی سبک وزن و نوظهور مطرح می‌باشد که قابلیت سنجش سطوح اشباع اکسیژن یا ترکیب اکسیژن با خون را دارا می‌باشد. ما با انجام آزمایشی نشان خواهیم داد که چگونه می‌توان از این سیستم استفاده نمود و با بهره‌گیری از روال تعامل کامپیوتر با انسان  (HCI) چنین مقوله‌ای را به سرانجام رساند. ما از تکنیک فراگیری ماشینی جهت آنالیز داده‌های طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی استفاده کرده و نسبت به طبقه بندی سطوح مختلف حجم کار مغزی اقدام نمودیم. با استفاده از روال اندازه‌گیری fNIRS  و الگوریتمهای فراگیری ماشینی، قادر خواهیم بود سطوح مختلف حجم کاری کاربران را تشخیص داده و سبکهای تعامل مابین را با بهره‌گیری از برنامه‌های کامپیوتری با میانگین دقت ۸۳% برای موضوعات مختلف مشخص نمائیم.

نتایج بدست آمده امکان پذیری بهره گیری از طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) در تحقیقات سیستم تعامل انسان با کامپیوتر (HCI) را نشان می‌دهد.

دسته بندی انجمن ماشین آلات کامپیوتری (ACM): H5.2 (رابط‌ها و سیستمهای نمایش اطلاعات): رابط‌های کاربر – رابطه‌های گرافیکی کاربر

عبارات اصلی : طراحی، عوامل انسانی، آزمایش

کلمات کلیدی : رابط‌های کامپیوتر مغز (BCI)، حجم کار، طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS)، سبکهای تعامل

مقدمه

اکتساب یا تحصیل سنجشهای وابسته به حالت ذهنی یا دماغی یک کاربر کامپیوتر یکی از مقوله‌های با ارزش در حیطه مقوله‌های علمی تعامل انسان و کامپیوتر (HCI) می‌باشد. اهمیت چنین مقوله‌ای هم از نکته نظر ارزیابی تعاملات و هم از دیدگاه درونداد زمان واقعی برای سیستمهای رایانه‌ای قابل توجه می‌باشد.  با وجود آنکه می‌توانیم بصورت دقیق زمان تکمیل یک وظیفه و دقت آن را اندازه بگیریم، سنجش فاکتورهایی نظیر حجم کارهای ذهنی، ناکامی‌ها و حواس پرتیها، معمولا امر مشاهده دقیق و کیفی کاربران یا بررسیهای هدفمند نظارتی وابسته بدانها را با محدودیت روبرو می‌سازد. این بررسیها معمولا بعد از اتمام یک وظیفه یا کار محوله به کاربران انجام می‌پذیرد و بر این اساس احتمال از دست دادن بینش‌ها و نکته نظرات با ارزش در زمینه تجارب در حال تغییر یک کاربر در طی انجام پروسه کاری یا وظیفه محوله وجود دارد. بدینسان مقوله استفاده از تکنیکهای ارزیابی جدید که تجربه‌های کاربران، به هنگام کار با رایانه‌ها، را مورد کنکاش و نظارت قرار می‌دهند بصورت روزافزون احساس می‌شود. جهت مخاطب قرار دادن چنین مقوله‌هایی که وابسته به ارزیابی و سنجش کاربران می‌باشند، تحقیقات اخیر بر روی توسعه تکنیکهای هدفمندی متمرکز شده‌اند تا بر این اساس توانایی سنجش حالات کاربران، همانند حجم کار، احساس و خستگی، بصورت زمان واقعی فراهم شود. با وجود آنکه تحقیقات جاری پیشرفتهایی در زمینه سنجش تجارب کاربران در مقوله تعامل انسان با کامپیوتر را بوجود آورده است، یافتن ابزار دقیق و غیر تهاجمی به منظور برآورد حالات و پارامترهای کاربران کامپیوتر در شرایط کاری حقیقی هنوز بعنوان یک چالش فرا روی باقی مانده است.

در این تحقیق ما طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS)، بعنوان یک تکنولوژی نسبتا جدید جهت سنجش فعالیتهای مغزی را بکار گرفته‌ایم و بدین منظور استفاده از فرآیندهای فراگیری ماشینی جهت آنالیز داده‌های بدست آمده را به خدمت گرفتیم. دستگاه طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) که بعنوان یک سیستم ایمن، قابل حمل، غیر تهاجمی و با توان کنترل از راه دور در این مقوله معرفی شده است قابلیت استفاده در محیط‌های زندگی واقعی را داشته و فرآیند ارتباط انسان با کامپیوتر، مبتنی بر اصول طبیعی، را امکان پذیر ساخته است.

علاوه بر کمک به ارزیابی رابطه‌ها، خروجی سیستم طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) مضامینی از کاربردهای بالقوه، بعنوان یک کانال ورودی سبک وزن موازی برای کاربران، را به ارمغان آورده است. از این اطلاعات بدست آمده از مغز می‌توان جهت ارتقای کارایی یا ادراکات وابسته به تعامل کاربر با ماشین بهره گرفت و از این طریق روشهای دسترسی جدیدتری را برای کاربران معلول بوجود آورد.

این مقاله، معرف اولین تجربه ما در خصوص استفاده از ابزار طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) می‌باشد و نشان دهنده امکان پذیری و پتانسیل آن برای مجموعه‌هایی از کاربردهای مرتبط با انسان و رایانه است. ما یکسری از سطوح گسسته قابل تمایز، در زمینه حجم کاری، که کاربران به هنگام تکمیل وظایف مختلف آن را تجربه کرده‌اند، را تشخیص دادیم.

انسان کامپیوتر سنجش مغز طیف مادون قرمز

طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS)

سیستم طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی غلظت هموگلوبین و اشباع اکسیژن بافت در مغز را اندازه‌گیری می‌کند. این سیستم از منابع نوری استفاده می‌کند و با قرارگیری بر روی جمجمه نسبت به ارسال نور مادون قرمز- نزدیک به داخل سر اقدام می‌نماید. بافتهای بیولوژیکی در این طول موج تقریبا حالت شفافی دارند، بر این اساس میرایی نور بسمت بافتها می‌بایست چنان اندک باشد که امکان تصویربرداری از بافت در عمق ۲ الی ۳ سانتی‌متری حاصل شود. هموگلوبین اشباع شده و هموگلوبین اشباع نشده با اکسیژن جزء جذب کننده‌های اصلی نور مادون قرمز- نزدیک در بافتها بشمار می‌آیند و بر این اساس آنها مارکهای مرتبط با تغییرات همودینامیکی و متابولیکی وابسته به فعالیت شبکه عصبی در مغز را فراهم می‌آورند. بنابر این، محققینی که بر روی fNIRS تحقیق می‌کنند می‌توانند تغییرات همودینامیکی را از طریق استفاده از حسگرهای نوری مورد ارزیابی قرار داده و بدینسان نور بازتاب داده شده که قشر یا لایه مغزی را مورد کاوش قرار داده است را تحت بررسی و کنترل قرار دهند. شکل ۱ نشان دهنده یک مثال مرتبط با تعدیلات تشخیص‌گرهای نوری و منابع وابسته در یک سیستم طیف بینی مادون قرمز- نزدیک می‌باشد.

حجم کار و تجربه‌ای به سبک تعامل

هدف ما در این تحقیق مشاهده این موضوع می‌باشد که آیا چنین دیدگاهی قابلیت سنجش فعالیتهای اجزای جلویی مغزی نظیر حجم کار را خواهد داشت یا خیر. علاوه بر این هدف دیگر این مبحث کاربردی سازی این فرآیند و تکنیکهای فراگیری ماشینی جهت طبقه بندی نمودن سطوح حجم کار می‌باشد.

بر این اساس، با مشاهدات انجام شده از زوایه فوقانی این موضوع مشخص شد که چهار موضوع سی وظیفه را بطور کامل انجام داده و بدینسان کلیه بخشهای یک شکل سه بعدی دوار هشت معکب کوچک را تشکیل می‌دهند. شکل ۲ معرف نمونه‌ای از این شکل چرخشی یا دوار است. در این آزمایش، مکعبها را می‌توان با دو، سه یا چهار رنگ در نظر گرفت، که بر اساس فرضیات ما این مقوله در ارتباط با سطوح حجم کارهای مختلف می‌باشد. در طی انجام هر وظیفه، موضوعات مربوطه تعداد مربعاتی که رنگ آنها هر یک بر روی شکل دوار جلوی آنها نشان داده شده است را مشخص می‌سازند. یک صفحه خالی (بدون رنگ) معرف حالت پایه یا خط مبنا می‌باشد.

وظیفه الف : بلوکهای گرافیکی

هدف اصلی این آزمایش مشخص نمودن این موضوع می‌باشد که آیا داده‌های طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) برای تعیین سطح حجم کار کاربران، به هنگامی که مشغول انجام وظایفشان می‌باشند، کفایت می‌نماید. به منظور تکمیل این مورد، رابط گرافیکی اشکال دوار را به نمایش گذاشت.

وظیفه ب : بلوکهای گرافیکی در برابر بلوکهای فیزیکی

علاوه بر این ما خواستار تعیین این نکته بودیم که آیا تفاوتی در حجم کار مغزی به هنگامی که کاربری امر استدلال فضایی بر روی یک نمایشگر گرافیکی، در برابر تکمیل وظیفه با استفاده از یک موضوع فیزیکی، همانند یک رابط کاربر قابل لمس، را به اتمام می‌رساند وجود خواهد داشت با خیر؟ تحقیقات قبلی در زمینه مقایسه رابط ملموس و رابط گرافیکی کاربران، بصورت فعل و انفعالات یا کاتالیز شمول این شرط، محقق شده است. بنابر این، ما یک مکعب فیزیکی با حجم کار سطح سه، همراه با زمان چرخش و اندازه برابر، بعنوان مکعب گرافیکی آن سطح را در نظر گرفته‌ایم.

انسان کامپیوتر سنجش مغز طیف مادون قرمز

آنالیز داده‌ها و نتایج

ما از طریق نرمالیزه نمودن داده‌ها آنها را تحت پردازش مجدد قرار دادیم و برای این کار از یک الگوریتم تغییر روند و نمونه پنجره لغزان جهت تولید پارامترها و خصیصه‌های میانگین و شیبدار استفاده نمودیم. با استفاده از اصل وارسی اعتبار بلوکی، ما داده‌ها را با یک کلاسیفایر یا رده‌بندی کننده پرسپترون (perceptron)  طبقه‌بندی نمودیم. سپس بصورت مجزا کلیه سطوح حجم کار پنج‌گانه را مورد آزمایش قرار دادیم و شرایط سطح حجم کار گرافیکی دو، سه و چهارگانه و سطح سه حجم کار گرافیکی و فیزیکی را با هم مقایسه نمودیم.

آنالیز بلوکهای گرافیکی در مقابل بلوکهای فیزیکی

میانگین دقت بدست آمده ۸۳% برآورد شده و محدوده‌ای از ۷۳% الی ۹۱% بدست آمد. چنین نتایج دسته بندی مثبتی از نقطه نظر ارتباطات انسان و کامپیوتر قابل توجه و مفید می‌باشد. در اینجا تفاوتهای متمایزی بین نمایش یک مکعب بصورت گرافیکی در برابر یک رابط فیزیکی کاربر بچشم می‌خورد. با وجود آنکه ما بدقت قابلیت تمایز بین فعالیتهای شناختی، که در طی انجام آزمایشات وابسته به این دو شرط بدست آمده است، را دارا می‌باشیم، نمی‌توانیم با اطمینان بیان داریم که آیا چنین تفاوتی مرتبط با حجم کار رابط می‌باشد و با در ارتباط با حجم کار یک وظیفه است و یا آنکه متغیرهای دیگری بر روی فعالیت مغزی تاثیر می‌گذارند. با این وجود، نتایج بدست آمده ما را در دنبال نمودن بررسیهای بعدی در سطح حجم کار شناختی مرتبط با سبک‌های تعامل مختلف راهنمایی و ترغیب خواهند نمود.

آنالیز بلوکهای گرافیکی

به هنگامی که نتایج خود را در مقایسه با سطوح حجم کار ۰، ۲ و ۴ مقایسه می‌کنیم، محدوده دقت دسته بندی از ۴۱٫۱۵% الی ۶۹٫۷%، منوط به موضوع، خواهد بود. در نظر بگیرید که یک دسته‌بندی کننده تصادفی از دقت ۳۳٫۳% برخوردار باشد، حال نتایج امیدوار کننده خواهند بود. این بدان معناست که ما می‌توانیم با اطمینان نسبتا زیادی این پیش‌بینی را داشته باشیم که آیا موضوع تحت بررسی از چه سطحی برخوردار است، بدون حجم کار (سطح ۰)، حجم کار پایین (سطح ۲)، یا حجم کار بالا (سطح ۴). نتایج   NASA-TLX یافته‌های ما را تایید می‌کنند: با افزایش سطح دشورای یک وظیفه تعداد رنگهای روی یک معکب نیز بیشتر می‌شوند.

انسان کامپیوتر سنجش مغز طیف مادون قرمز

نتیجه‌گیری

هدف ما در این مقاله تست قابلیت دستگاه طیف بینی مادون قرمز- نزدیک کاربردی (fNIRS) جهت تشخیص سطوح حجم کار در سیستم تعامل انسان با کامپیوتر (HCI) می‌باشد، تا بر این اساس بتوانیم نسبت به توسعه تکنیک‌های طبقه‌بندی جهت تفسیر چنین داده‌هایی اقدام نموده و نشان دهیم که استفاده از چنین سیستمی در تعاملات انسان با رایانه امکان پذیر می‌باشد. آزمایشات ما معرف چندین مقایسه حجم کاری با سطوح امید دهنده در زمینه دقت دسته‌بندی می‌باشد. یکی از اهداف دراز مدت ما استفاده از این تکنولوژی بعنوان یک ورودی زمان واقعی رابط کاربر در دنیای واقعی می‌باشد. بر این اساس، مشاهده شده است که دستگاه ما هیچگونه محدودیتی را بر موضوع استفاده از سیستم تعاملی نداشته است و قادر است تا بصورت زمان واقعی نسبت به جمع‌آوری و انتقال داده‌ها اقدام کند. این امر برای جوامعی که در ارتباط با رابط‌های بین انسان و ماشین یا کامپیوتر در حال کار می‌باشند خبری نوید دهنده است.