De Tehuti Brain Scanner begon met een kristallen bol van AliExpress. Mijn dochter studeerde psychologie in Nijmegen en omdat ik ook psycholoog ben zijn onze wederzijdse cadeau’s vaak brein-gerelateerd. Zij gaf mij deze kristallen bol met een prachtig ingegraveerd 3D model van menselijke hersenen als kerstcadeau. Als je zo’n bol van onderen belicht zie je het model in al z’n glorie. Ik heb echter ook een la vol met lasers in allerlei kleuren en maten. Wat zal er gebeuren als…
Puntlasers bleken niet erg spectaculair. Een rode laser met een lensje ervoor dat de laserstraal doet uitwaaieren tot een lijn overtrof echter mijn stoutste verwachtingen. Bij een blauw licht van onderen verlichtte de rode laserlijn haarscherp een plakje van de hersenen. Zo fascinerend als het kijken naar een kampvuurtje. Het deed me denken aan het principe van moderne medische scanapparatuur als MRI en CT-scanners die plakje voor plakje je hersens in kaart brengen. Als ik deze laser nou eens in hoogte verstelbaar maak…
Rond dezelfde tijd kwam er een microcontroller op de markt met een hoge-resolutie AMOLED-scherm. Deze technologie maakt gebruik van organische materialen vergelijkbaar met de manier waarop vuurvliegjes licht maken. Het zorgt voor prachtige rijke kleuren bij een laag energieverbruik. Je hebt deze technologie vast al in je laatste nieuwe mobiele telefoon zitten. Ik had al eerder met een beeldschermpje gewerkt bij de Marconi, maar dat was een monochroom scherm met lage resolutie: zwart-geel met 128×32 pixels. Hier had ik ineens 536×240 pixels tot mijn beschikking met 65.536 verschillende kleuren. Daarmee werd het mogelijk om ook foto’s te gebruiken.
Een ESP32 S3 is anno 2024 een zeer moderne en krachtige microcontroller die zelfs het klassieke 3D spel DOOM kan spelen. Maar het is nog geen volwaardige computer. Iedere foto moest daarom zorgvuldig gecomprimeerd worden om zo min mogelijk opslagruimte in te nemen. Voor het samenstellen van het scherm moest ik gebruik maken van “sprites“, een techniek die ik me nog herinnerde uit de dagen van de Commodore 64.
Het gebruik van niet-standaard lettertypes bleek ook moeilijk door de beperkte opslagruimte. Het lettertype dat ik gebruikte voor titels op het schermpje interfereerde met het motortje van de laser-slider. Steeds als er een titel met dat lettertype in beeld was, stopte de laser-slider. Uiteindelijk heb ik zelf een lettertype ontworpen voor de titels en nog een andere voor de subtitel “Brain scanner”.
Ik wilde met het beeldschermpje de mogelijkheden van een MRI-scanner illustreren. De eerste modus was daarom een volledige scan van onder, de hersenstam, tot boven. Ik vond op internet een serie van 24 MRI-‘slices’ die heel goed overeenkwamen met 24 stapjes van mijn laser. Bij ieder stapje van de laser liet ik de bol een keer draaien, wat ik in het schermpje illustreerde met een cirkelvormige opbouw van het plaatje van de scan.
Een tweede modus is het in kaart brengen van de emoties in het menselijke brein. Hier kan de laser op één hoogte blijven, maar bieden we de proefpersoon telkens een foto met bepaalde emoties. De scan laat dan zien welke gebieden in de hersenen geactiveerd worden.
Ik voegde een simulatie van een hartslagmonitor toe, inclusief geluidseffecten, om ook het effect van bepaalde emoties op de hartslag te illustreren. Bij angstaanjagende foto’s zie en hoor je de hartslag versnellen.
Een variant van het emotie-onderzoek is een commerciële toepassing, waarin het effect van internationaal bekende commerciële merken op gebieden in de hersenen wordt onderzocht. Ik heb geen idee of dit in de praktijk al wordt gedaan, maar als ik het kan bedenken…
Een volgende toepassing is onderzoek met verschillende psychologische tests. De meestgebruikte test voor het diagnosticeren van hersenschade, bijvoorbeeld door Alzheimer, is de Trail Making Test (TMT), een snel en makkelijk uit te voeren oefening die heel uitgebreid onderzocht is. Hierbij geef je de proefpersoon twee keer een verzameling punten waartussen zij lijnen moet trekken. De eerste keer zijn de punten genummerd van 1 tot 25. Dat is voor de meeste mensen, inclusief mensen met enige hersenschade goed te doen. De tweede verzameling punten is echter niet alleen genummerd van 1 tot 13, maar er zijn ook punten met letters: A, B, C tot L. De proefpersoon moet nu de punten op deze manier verbinden: 1 – A – 2 – B – 3 – C enzovoort. Voor gezonde mensen is dit slechts iets moeilijker, resulterend in een iets langere tijd om de taak af te ronden. Voor mensen met hersenproblemen is deze taak echter beduidend lastiger. Zij doen er aanzienlijk langer over dan de eerste test. Het tijdsverschil tussen de eerste en de tweede test wordt meegenomen bij het bepalen van de diagnose.
Het bleek nog een flinke klus om deze TMT te simuleren in C++, de programmeertaal voor eenvoudige microcontrollers. Mijn kennis van C++ was vrij beperkt. Ik had het gebruikt in eerdere projecten, maar die waren lang niet zo complex als de Tehuti. Het bestaat al heel lang, maar het wordt gezien als een van de moeilijkere programmeertalen. Dat komt voornamelijk doordat je direct toegang hebt tot het geheugen van de microcontroller: met grote macht komt grote verantwoordelijkheid.
Gelukkig was 2024 het jaar van de doorbraak van de AI chatbots. Ik kon mijn C++ problemen aan ChatGPT voorleggen en kreeg meestal een bruikbaar antwoord. Voor de duidelijkheid: niets van de creatieve en visuele aspecten van de Tehuti is gegenereerd door kunstmatige intelligentie. Het heeft me alleen geholpen als vraagbaak bij het overwinnen van programmeertechnische problemen.
Na de Trail Making Test heb ik nog wat andere klassieke psychologische tests toegevoegd, zoals de Stroop kleurentest en de volstrekt onwetenschappelijke Rorschach en Thematic Apperception Test.
In alle simulaties heb ik op vele momenten ‘random’ waardes gebruikt om een realistische weergave van de werkelijkheid te geven. Ons hart is bijvoorbeeld geen metronoom. Iedere hartslag duurt nét iets korter of langer dan de volgende. Het verschil is doorgaans te klein om door ons bewust opgemerkt te worden. In de TMT wilde ik bijvoorbeeld niet dat de gesimuleerde lijntjes tussen de punten kaarsrecht werden getekend. Daar heb ik dus ook allerlei rendomisaties toegevoegd, inclusief de mogelijkheid om af en toe een fout te maken, zoals menselijke proefpersonen dat ook doen.
Erg trots ben ik op de zelfontworpen printplaat, een printed circuit board (PCB). Dit is het plaatje waarop ik de verschillende electronica-componenten soldeer. De microcontroller heeft externe sensors, weerstanden en transistors nodig om de motortjes en laser goed te kunnen aansturen. Ik ontwierp de PCB in KiCad, een open-source programma, waarmee ik alle gegevens genereerde die nodig waren om het plaatje in China te laten maken. Een week na het opsturen van de code ontving ik per post de 10 prachtige printplaatjes.