Ein Leitfaden für Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräte
H.B. Duran
Aktualisiert am
23.09.2024
Ein Leitfaden für Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräte
H.B. Duran
Aktualisiert am
23.09.2024
Ein Leitfaden für Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräte
H.B. Duran
Aktualisiert am
23.09.2024
Dank hochkarätiger Projekte wie Neuralink von Elon Musk haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit große Aufmerksamkeit erregt. Sie werden jedoch überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie bereits seit über vier Jahrzehnten existiert und Sie keine Operation benötigen, um Ihre eigenen „gedankengesteuerten“ Projekte zu entwickeln.
Emotiv debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie zusammen mit Algorithmen für maschinelles Lernen und verbesserten Gehirnwellensensoren erheblich weiterentwickelt. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an Emotiv für ihre Anforderungen an Gehirn-Computer-Schnittstellen-Projekte.
Ob Sie Anfänger oder erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten für Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten, der Ihnen hilft, diese faszinierende Welt zu verstehen und zugänglich zu machen.
Verständnis der Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie (BCI) ermöglicht eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, ein BCI. In jüngerer Zeit wird der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, mit denen Sie Geräte per Gedankenkraft steuern können. Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben übersetzen, darunter das Steuern eines Computer-Cursors, das Bewegen von Prothesen und das Erstellen interaktiver Gaming-Erlebnisse. Die BCI-Technologie bietet denjenigen, die ihre Gliedmaßen nicht benutzen können, neue Hoffnung, zusätzlich zu fähigen Innovatoren und Hobbyisten auf der ganzen Welt.
Da „BCI“ zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den Gerätetypen von Gehirn-Computer-Schnittstellen zu unterscheiden, um Verwirrung zu stiften und damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für sich auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Es gibt derzeit zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten; solche, die in das Gehirn implantiert werden, und solche, die Gehirnsignale von der Kopfhaut lesen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung von BCI-Signalerfassungstechnologien. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der Operationsdimension, die drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, die drei Ebenen umfasst: Nicht-Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakraniell (Invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalografie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dies ermöglicht es Ärzten, ein klares elektronisches Signal für Forschung, Diagnose und Behandlung zu erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Zu den Verwendungszwecken gehören unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], die Umgehung von Lähmungen, die Ermöglichung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die US-amerikanische Food & Drug Administration definiert implantierte BCI-Geräte als „Neuroprothesen, die mit dem zentralen oder peripheren Nervensystem interagieren, um verlorene motorische und/oder sensorische Fähigkeiten bei Patienten mit Lähmung oder Amputation wiederherzustellen“ [6].
Abbildung 2. Casey Harrell, der an ALS leidet, spricht wieder mit Hilfe eines BCI-Implantats im Rahmen der klinischen Studie BrainGate. (Bildquelle: UC Regents)
Intrakraniell (Minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovaskulär (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße an das Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikografisch (ECoG) bezeichnet, was die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der Dura mater (subdurales ECoG) oder außerhalb der Dura mater (epidurales ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger als herkömmliche BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schematische Darstellung der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Sinus-sagittalis-superior-Blutgefäß implantiert (Einschub) und mit einer implantierbaren Empfänger-Sender-Einheit (IRTU) in der subkutanen Tasche verbunden. Die IRTU kommuniziert mit einer externen Empfänger-Telemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuerungseinheit zur Steuerung eines Laptop-Computers oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Eyetracker zur Computersteuerung. Die Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und das BCI wird zum Klicken verwendet. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Element-Scanner hebt Elemente nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf ein Element zu klicken, wenn es hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasives BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mithilfe von Gehirn-Computer-Schnittstellen mit ihrer Umwelt zu interagieren. Sie können Johns gehirngesteuertes Kunstwerk HIER sehen.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf Laborumgebungen beschränkt, aber das Aufkommen von kabellosen EEG-Geräten in Forschungsqualität ermöglicht überall genaue Gehirnwellenmessungen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende von nicht-invasiven BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen wurden für einen bestimmten Zweck entwickelt, wie z. B. Schlaf- oder Fokusüberwachung. Die Preise können zwischen einigen hundert Dollar und Hunderttausenden variieren. Emotiv bietet die vielseitigste und erschwinglichste Auswahl an kabellosen BCI-Geräten, von zwei bis zu 32 Sensoren, die von Neurowissenschaftlern, Studenten, Pädagogen, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern auf der ganzen Welt verwendet werden.
Laut einem Audit von Peer-Review-Artikeln aus dem Jahr 2022 [10] ist Emotiv das am häufigsten verwendete Consumer-EEG-Gerät (67,69 %) für die wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen Emotiv für seine wissenschaftlich validierte Leistung, Erschwinglichkeit im Vergleich zu herkömmlichen EEG-Laborgeräten und Vielseitigkeit. Dasselbe Emotiv-Headset, das in einem Universitätslabor zur Durchführung von bahnbrechenden Forschungen am menschlichen Gehirn verwendet wird, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt werden, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen übergeben und mit einem studentischen BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen um die Wette fliegen zu lassen.
Emotiv BCI-Geräte
Bei Emotiv haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer gleichermaßen.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit dem Emotiv Flex als BCI-Gerät gesteuert [11].
Oben: Ein Student verwendet Epoc X und ein Arduino-Board, um einen Roboterarm zu steuern. (Quelle: Matt Su)
Oben: Ein Student an der University of Florida trägt ein Emotiv Insight BCI-Gerät, um eine Drohne zu steuern. (Quelle)
Abbildung 5. Twitch-Gamerin Perrikaryal nutzt erfolgreich ein 2-Kanal Emotiv MN8 Wearable, um ein Halo-Spiel mit BCI zu steuern.
Erste Schritte mit Ihrem BCI-Projekt
Haben Sie bereits Programmiererfahrung? | Neu im Bereich BCI? |
Starten Sie hier:
| Hier ist eine Anleitung für den Einstieg: |
Wie verwende ich BCI?
Sie benötigen fünf grundlegende Elemente, um Ihr BCI-Projekt zu starten.
Ein klares Ziel
Ein Signalerfassungsgerät, wie beispielsweise ein EEG-Headset von Emotiv
Eine Signalverarbeitungssoftware wie EmotivBCI.
Zugeordnete BCI-Befehle (etwas Programmiererfahrung erforderlich)
Zugang zu dem Gerät, das Sie steuern möchten, über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zum Empfang von BCI-Befehlen
Auswahl des richtigen BCI-Geräts
Die Auswahl des geeigneten BCI-Geräts ist entscheidend für den Erfolg Ihres Projekts. Hier sind einige wichtige Überlegungen:
Benutzerfreundlichkeit: Suchen Sie nach einem Gerät, das benutzerfreundlich und einfach einzurichten ist, insbesondere wenn Sie ein Anfänger sind. Emotiv BCI-Geräte sind in wenigen Minuten mit trockenen, halbtrockenen und Kochsalzlösungs-Sensoren eingerichtet.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Eigenschaften bietet, die für Ihr spezifisches Projekt benötigt werden. Emotiv-Headsets erfassen das gesamte Gehirn, aber als Faustregel gilt: BCI funktioniert besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet Emotiv Flex bis zu 32 Sensoren für eine maximale Gehirnerfassung, aber unsere Benutzer empfinden Epoc X oder Insight meist als völlig ausreichend für ihre BCI-Projekte und -Forschung. MN8 Brainwear-Geräte hingegen sind perfekt für die Entwicklung von mobilen BCI-Apps.
Platzierung der Sensoren: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo sich die Sensoren befinden und wie sich das auf Ihre Anforderungen auswirkt. Beispielsweise haben einige BCI-Geräte auf dem Markt nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie Komfort und Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie beabsichtigen, es über einen längeren Zeitraum zu tragen. Kochsalzlösung ist komfortabler als Gel, halbtrockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als Kochsalzlösung und trockene Sensoren sind am bequemsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität von Emotiv-Geräten.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das sich gut in Ihre vorhandene Software und Hardware integrieren lässt. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie Zugriff auf SDK und API haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und über eine engagierte Benutzer-Community verfügt. Emotiv bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Der Schutz Ihrer neuronalen Daten ist wichtig. Aus diesem Grund hat Emotiv seine EEG-Datenerfassung von Anfang an unter Berücksichtigung des Datenschutzes konzipiert. Sehen Sie, wie Emotiv Ihre Gehirndaten schützt.
Fazit
Der Start eines BCI-Projekts ist eine aufregende Reise, die ein immenses Potenzial für Innovation und Wirkung bietet. Egal, ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, Emotiv bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie für Ihren Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten erschließen.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und Ressourcen von Emotiv, um mit der Arbeit an Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Community von Innovatoren und Forschern an, die die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Technologie mit BCI-Technologie gestalten.
Treten Sie unserer Entwickler-Community bei
Teilen Sie Ihre BCI-Projekte mit uns! Markieren Sie #Emotiv in den sozialen Medien oder senden Sie eine E-Mail an hello@emotiv.com.
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Referenzen
Y. Sun et al., „Signal acquisition of brain-computer interfaces: A medical-engineering crossover perspective review,“ Fundamental Research, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Verfügbar: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559
P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „The history of invasive EEG evaluation in epilepsy patients,“ Seizure, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implanted Brain-Computer Interface (BCI) Devices for Patients with Paralysis or Amputation - Non-clinical Testing and Clinical Considerations,“ U.S. Food And Drug Administration, 20. Mai 2021. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/implanted-brain-computer-interface-bci-devices-patients-paralysis-or-amputation-non-clinical-testing
Y.-H. Nho et al., „Responsive deep brain stimulation guided by ventral striatal electrophysiology of obsession durably ameliorates compulsion,“ Neuron, Bd. 112, Nr. 1, S. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.
„Neuralink auf X: ‚We have received Breakthrough Device Designation from the FDA for Blindsight. Join us in our quest to bring back sight to those who have lost it. Apply to our Patient Registry and openings on our career page https://t.co/abBMTdv7Rh‘ / X,“ X (zuvor Twitter). https://x.com/neuralink/status/1836118060308271306?ref_src=twsrc%5Egoogle%7Ctwcamp%5Eserp%7Ctwgr%5Etweet
M. Ptito, M. Bleau, I. Djerourou, S. Paré, F. C. Schneider, und D.-R. Chebat, „Brain-Machine interfaces to assist the blind,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
P. Mitchell et al., „Assessment of safety of a fully implanted endovascular Brain-Computer interface for severe paralysis in 4 patients,“ JAMA Neurology, Bd. 80, Nr. 3, S. 270, März 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.
Q. He et al., „The brain nebula: minimally invasive brain–computer interface by endovascular neural recording and stimulation,“ Journal of NeuroInterventional Surgery, S. jnis-021296, Feb. 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.
R. P. N. Rao, „Semi-Invasive BCIs,“ in Cambridge University Press eBooks, 2013, S. 149–176. doi: 10.1017/cbo9781139032803.012.
J. Sabio, N. S. Williams, G. M. McArthur, und N. A. Badcock, „A scoping review on the use of consumer-grade EEG devices for research,“ bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), Dez. 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.
D. Pawuś und S. Paszkiel, „BCI wheelchair control using expert system classifying EEG signals based on power spectrum estimation and nervous tics detection,“ Applied Sciences, Bd. 12, Nr. 20, S. 10385, Okt. 2022, doi: 10.3390/app122010385.
Dank hochkarätiger Projekte wie Neuralink von Elon Musk haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit große Aufmerksamkeit erregt. Sie werden jedoch überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie bereits seit über vier Jahrzehnten existiert und Sie keine Operation benötigen, um Ihre eigenen „gedankengesteuerten“ Projekte zu entwickeln.
Emotiv debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie zusammen mit Algorithmen für maschinelles Lernen und verbesserten Gehirnwellensensoren erheblich weiterentwickelt. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an Emotiv für ihre Anforderungen an Gehirn-Computer-Schnittstellen-Projekte.
Ob Sie Anfänger oder erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten für Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten, der Ihnen hilft, diese faszinierende Welt zu verstehen und zugänglich zu machen.
Verständnis der Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie (BCI) ermöglicht eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, ein BCI. In jüngerer Zeit wird der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, mit denen Sie Geräte per Gedankenkraft steuern können. Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben übersetzen, darunter das Steuern eines Computer-Cursors, das Bewegen von Prothesen und das Erstellen interaktiver Gaming-Erlebnisse. Die BCI-Technologie bietet denjenigen, die ihre Gliedmaßen nicht benutzen können, neue Hoffnung, zusätzlich zu fähigen Innovatoren und Hobbyisten auf der ganzen Welt.
Da „BCI“ zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den Gerätetypen von Gehirn-Computer-Schnittstellen zu unterscheiden, um Verwirrung zu stiften und damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für sich auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Es gibt derzeit zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten; solche, die in das Gehirn implantiert werden, und solche, die Gehirnsignale von der Kopfhaut lesen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung von BCI-Signalerfassungstechnologien. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der Operationsdimension, die drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, die drei Ebenen umfasst: Nicht-Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakraniell (Invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalografie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dies ermöglicht es Ärzten, ein klares elektronisches Signal für Forschung, Diagnose und Behandlung zu erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Zu den Verwendungszwecken gehören unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], die Umgehung von Lähmungen, die Ermöglichung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die US-amerikanische Food & Drug Administration definiert implantierte BCI-Geräte als „Neuroprothesen, die mit dem zentralen oder peripheren Nervensystem interagieren, um verlorene motorische und/oder sensorische Fähigkeiten bei Patienten mit Lähmung oder Amputation wiederherzustellen“ [6].
Abbildung 2. Casey Harrell, der an ALS leidet, spricht wieder mit Hilfe eines BCI-Implantats im Rahmen der klinischen Studie BrainGate. (Bildquelle: UC Regents)
Intrakraniell (Minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovaskulär (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße an das Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikografisch (ECoG) bezeichnet, was die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der Dura mater (subdurales ECoG) oder außerhalb der Dura mater (epidurales ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger als herkömmliche BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schematische Darstellung der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Sinus-sagittalis-superior-Blutgefäß implantiert (Einschub) und mit einer implantierbaren Empfänger-Sender-Einheit (IRTU) in der subkutanen Tasche verbunden. Die IRTU kommuniziert mit einer externen Empfänger-Telemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuerungseinheit zur Steuerung eines Laptop-Computers oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Eyetracker zur Computersteuerung. Die Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und das BCI wird zum Klicken verwendet. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Element-Scanner hebt Elemente nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf ein Element zu klicken, wenn es hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasives BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mithilfe von Gehirn-Computer-Schnittstellen mit ihrer Umwelt zu interagieren. Sie können Johns gehirngesteuertes Kunstwerk HIER sehen.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf Laborumgebungen beschränkt, aber das Aufkommen von kabellosen EEG-Geräten in Forschungsqualität ermöglicht überall genaue Gehirnwellenmessungen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende von nicht-invasiven BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen wurden für einen bestimmten Zweck entwickelt, wie z. B. Schlaf- oder Fokusüberwachung. Die Preise können zwischen einigen hundert Dollar und Hunderttausenden variieren. Emotiv bietet die vielseitigste und erschwinglichste Auswahl an kabellosen BCI-Geräten, von zwei bis zu 32 Sensoren, die von Neurowissenschaftlern, Studenten, Pädagogen, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern auf der ganzen Welt verwendet werden.
Laut einem Audit von Peer-Review-Artikeln aus dem Jahr 2022 [10] ist Emotiv das am häufigsten verwendete Consumer-EEG-Gerät (67,69 %) für die wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen Emotiv für seine wissenschaftlich validierte Leistung, Erschwinglichkeit im Vergleich zu herkömmlichen EEG-Laborgeräten und Vielseitigkeit. Dasselbe Emotiv-Headset, das in einem Universitätslabor zur Durchführung von bahnbrechenden Forschungen am menschlichen Gehirn verwendet wird, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt werden, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen übergeben und mit einem studentischen BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen um die Wette fliegen zu lassen.
Emotiv BCI-Geräte
Bei Emotiv haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer gleichermaßen.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit dem Emotiv Flex als BCI-Gerät gesteuert [11].
Oben: Ein Student verwendet Epoc X und ein Arduino-Board, um einen Roboterarm zu steuern. (Quelle: Matt Su)
Oben: Ein Student an der University of Florida trägt ein Emotiv Insight BCI-Gerät, um eine Drohne zu steuern. (Quelle)
Abbildung 5. Twitch-Gamerin Perrikaryal nutzt erfolgreich ein 2-Kanal Emotiv MN8 Wearable, um ein Halo-Spiel mit BCI zu steuern.
Erste Schritte mit Ihrem BCI-Projekt
Haben Sie bereits Programmiererfahrung? | Neu im Bereich BCI? |
Starten Sie hier:
| Hier ist eine Anleitung für den Einstieg: |
Wie verwende ich BCI?
Sie benötigen fünf grundlegende Elemente, um Ihr BCI-Projekt zu starten.
Ein klares Ziel
Ein Signalerfassungsgerät, wie beispielsweise ein EEG-Headset von Emotiv
Eine Signalverarbeitungssoftware wie EmotivBCI.
Zugeordnete BCI-Befehle (etwas Programmiererfahrung erforderlich)
Zugang zu dem Gerät, das Sie steuern möchten, über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zum Empfang von BCI-Befehlen
Auswahl des richtigen BCI-Geräts
Die Auswahl des geeigneten BCI-Geräts ist entscheidend für den Erfolg Ihres Projekts. Hier sind einige wichtige Überlegungen:
Benutzerfreundlichkeit: Suchen Sie nach einem Gerät, das benutzerfreundlich und einfach einzurichten ist, insbesondere wenn Sie ein Anfänger sind. Emotiv BCI-Geräte sind in wenigen Minuten mit trockenen, halbtrockenen und Kochsalzlösungs-Sensoren eingerichtet.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Eigenschaften bietet, die für Ihr spezifisches Projekt benötigt werden. Emotiv-Headsets erfassen das gesamte Gehirn, aber als Faustregel gilt: BCI funktioniert besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet Emotiv Flex bis zu 32 Sensoren für eine maximale Gehirnerfassung, aber unsere Benutzer empfinden Epoc X oder Insight meist als völlig ausreichend für ihre BCI-Projekte und -Forschung. MN8 Brainwear-Geräte hingegen sind perfekt für die Entwicklung von mobilen BCI-Apps.
Platzierung der Sensoren: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo sich die Sensoren befinden und wie sich das auf Ihre Anforderungen auswirkt. Beispielsweise haben einige BCI-Geräte auf dem Markt nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie Komfort und Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie beabsichtigen, es über einen längeren Zeitraum zu tragen. Kochsalzlösung ist komfortabler als Gel, halbtrockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als Kochsalzlösung und trockene Sensoren sind am bequemsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität von Emotiv-Geräten.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das sich gut in Ihre vorhandene Software und Hardware integrieren lässt. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie Zugriff auf SDK und API haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und über eine engagierte Benutzer-Community verfügt. Emotiv bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Der Schutz Ihrer neuronalen Daten ist wichtig. Aus diesem Grund hat Emotiv seine EEG-Datenerfassung von Anfang an unter Berücksichtigung des Datenschutzes konzipiert. Sehen Sie, wie Emotiv Ihre Gehirndaten schützt.
Fazit
Der Start eines BCI-Projekts ist eine aufregende Reise, die ein immenses Potenzial für Innovation und Wirkung bietet. Egal, ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, Emotiv bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie für Ihren Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten erschließen.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und Ressourcen von Emotiv, um mit der Arbeit an Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Community von Innovatoren und Forschern an, die die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Technologie mit BCI-Technologie gestalten.
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Referenzen
Y. Sun et al., „Signal acquisition of brain-computer interfaces: A medical-engineering crossover perspective review,“ Fundamental Research, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Verfügbar: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559
P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „The history of invasive EEG evaluation in epilepsy patients,“ Seizure, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implanted Brain-Computer Interface (BCI) Devices for Patients with Paralysis or Amputation - Non-clinical Testing and Clinical Considerations,“ U.S. Food And Drug Administration, 20. Mai 2021. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/implanted-brain-computer-interface-bci-devices-patients-paralysis-or-amputation-non-clinical-testing
Y.-H. Nho et al., „Responsive deep brain stimulation guided by ventral striatal electrophysiology of obsession durably ameliorates compulsion,“ Neuron, Bd. 112, Nr. 1, S. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.
„Neuralink auf X: ‚We have received Breakthrough Device Designation from the FDA for Blindsight. Join us in our quest to bring back sight to those who have lost it. Apply to our Patient Registry and openings on our career page https://t.co/abBMTdv7Rh‘ / X,“ X (zuvor Twitter). https://x.com/neuralink/status/1836118060308271306?ref_src=twsrc%5Egoogle%7Ctwcamp%5Eserp%7Ctwgr%5Etweet
M. Ptito, M. Bleau, I. Djerourou, S. Paré, F. C. Schneider, und D.-R. Chebat, „Brain-Machine interfaces to assist the blind,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
P. Mitchell et al., „Assessment of safety of a fully implanted endovascular Brain-Computer interface for severe paralysis in 4 patients,“ JAMA Neurology, Bd. 80, Nr. 3, S. 270, März 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.
Q. He et al., „The brain nebula: minimally invasive brain–computer interface by endovascular neural recording and stimulation,“ Journal of NeuroInterventional Surgery, S. jnis-021296, Feb. 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.
R. P. N. Rao, „Semi-Invasive BCIs,“ in Cambridge University Press eBooks, 2013, S. 149–176. doi: 10.1017/cbo9781139032803.012.
J. Sabio, N. S. Williams, G. M. McArthur, und N. A. Badcock, „A scoping review on the use of consumer-grade EEG devices for research,“ bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), Dez. 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.
D. Pawuś und S. Paszkiel, „BCI wheelchair control using expert system classifying EEG signals based on power spectrum estimation and nervous tics detection,“ Applied Sciences, Bd. 12, Nr. 20, S. 10385, Okt. 2022, doi: 10.3390/app122010385.
Dank hochkarätiger Projekte wie Neuralink von Elon Musk haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit große Aufmerksamkeit erregt. Sie werden jedoch überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie bereits seit über vier Jahrzehnten existiert und Sie keine Operation benötigen, um Ihre eigenen „gedankengesteuerten“ Projekte zu entwickeln.
Emotiv debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie zusammen mit Algorithmen für maschinelles Lernen und verbesserten Gehirnwellensensoren erheblich weiterentwickelt. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an Emotiv für ihre Anforderungen an Gehirn-Computer-Schnittstellen-Projekte.
Ob Sie Anfänger oder erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten für Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten, der Ihnen hilft, diese faszinierende Welt zu verstehen und zugänglich zu machen.
Verständnis der Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellen-Technologie (BCI) ermöglicht eine direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, ein BCI. In jüngerer Zeit wird der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, mit denen Sie Geräte per Gedankenkraft steuern können. Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben übersetzen, darunter das Steuern eines Computer-Cursors, das Bewegen von Prothesen und das Erstellen interaktiver Gaming-Erlebnisse. Die BCI-Technologie bietet denjenigen, die ihre Gliedmaßen nicht benutzen können, neue Hoffnung, zusätzlich zu fähigen Innovatoren und Hobbyisten auf der ganzen Welt.
Da „BCI“ zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den Gerätetypen von Gehirn-Computer-Schnittstellen zu unterscheiden, um Verwirrung zu stiften und damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für sich auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Es gibt derzeit zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellen-Geräten; solche, die in das Gehirn implantiert werden, und solche, die Gehirnsignale von der Kopfhaut lesen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung von BCI-Signalerfassungstechnologien. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der Operationsdimension, die drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, die drei Ebenen umfasst: Nicht-Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakraniell (Invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalografie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dies ermöglicht es Ärzten, ein klares elektronisches Signal für Forschung, Diagnose und Behandlung zu erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Zu den Verwendungszwecken gehören unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], die Umgehung von Lähmungen, die Ermöglichung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die US-amerikanische Food & Drug Administration definiert implantierte BCI-Geräte als „Neuroprothesen, die mit dem zentralen oder peripheren Nervensystem interagieren, um verlorene motorische und/oder sensorische Fähigkeiten bei Patienten mit Lähmung oder Amputation wiederherzustellen“ [6].
Abbildung 2. Casey Harrell, der an ALS leidet, spricht wieder mit Hilfe eines BCI-Implantats im Rahmen der klinischen Studie BrainGate. (Bildquelle: UC Regents)
Intrakraniell (Minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovaskulär (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße an das Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikografisch (ECoG) bezeichnet, was die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der Dura mater (subdurales ECoG) oder außerhalb der Dura mater (epidurales ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger als herkömmliche BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schematische Darstellung der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Sinus-sagittalis-superior-Blutgefäß implantiert (Einschub) und mit einer implantierbaren Empfänger-Sender-Einheit (IRTU) in der subkutanen Tasche verbunden. Die IRTU kommuniziert mit einer externen Empfänger-Telemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuerungseinheit zur Steuerung eines Laptop-Computers oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Eyetracker zur Computersteuerung. Die Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und das BCI wird zum Klicken verwendet. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Element-Scanner hebt Elemente nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf ein Element zu klicken, wenn es hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasives BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mithilfe von Gehirn-Computer-Schnittstellen mit ihrer Umwelt zu interagieren. Sie können Johns gehirngesteuertes Kunstwerk HIER sehen.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf Laborumgebungen beschränkt, aber das Aufkommen von kabellosen EEG-Geräten in Forschungsqualität ermöglicht überall genaue Gehirnwellenmessungen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende von nicht-invasiven BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen wurden für einen bestimmten Zweck entwickelt, wie z. B. Schlaf- oder Fokusüberwachung. Die Preise können zwischen einigen hundert Dollar und Hunderttausenden variieren. Emotiv bietet die vielseitigste und erschwinglichste Auswahl an kabellosen BCI-Geräten, von zwei bis zu 32 Sensoren, die von Neurowissenschaftlern, Studenten, Pädagogen, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern auf der ganzen Welt verwendet werden.
Laut einem Audit von Peer-Review-Artikeln aus dem Jahr 2022 [10] ist Emotiv das am häufigsten verwendete Consumer-EEG-Gerät (67,69 %) für die wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen Emotiv für seine wissenschaftlich validierte Leistung, Erschwinglichkeit im Vergleich zu herkömmlichen EEG-Laborgeräten und Vielseitigkeit. Dasselbe Emotiv-Headset, das in einem Universitätslabor zur Durchführung von bahnbrechenden Forschungen am menschlichen Gehirn verwendet wird, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt werden, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen übergeben und mit einem studentischen BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen um die Wette fliegen zu lassen.
Emotiv BCI-Geräte
Bei Emotiv haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer gleichermaßen.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit dem Emotiv Flex als BCI-Gerät gesteuert [11].
Oben: Ein Student verwendet Epoc X und ein Arduino-Board, um einen Roboterarm zu steuern. (Quelle: Matt Su)
Oben: Ein Student an der University of Florida trägt ein Emotiv Insight BCI-Gerät, um eine Drohne zu steuern. (Quelle)
Abbildung 5. Twitch-Gamerin Perrikaryal nutzt erfolgreich ein 2-Kanal Emotiv MN8 Wearable, um ein Halo-Spiel mit BCI zu steuern.
Erste Schritte mit Ihrem BCI-Projekt
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Wie verwende ich BCI?
Sie benötigen fünf grundlegende Elemente, um Ihr BCI-Projekt zu starten.
Ein klares Ziel
Ein Signalerfassungsgerät, wie beispielsweise ein EEG-Headset von Emotiv
Eine Signalverarbeitungssoftware wie EmotivBCI.
Zugeordnete BCI-Befehle (etwas Programmiererfahrung erforderlich)
Zugang zu dem Gerät, das Sie steuern möchten, über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zum Empfang von BCI-Befehlen
Auswahl des richtigen BCI-Geräts
Die Auswahl des geeigneten BCI-Geräts ist entscheidend für den Erfolg Ihres Projekts. Hier sind einige wichtige Überlegungen:
Benutzerfreundlichkeit: Suchen Sie nach einem Gerät, das benutzerfreundlich und einfach einzurichten ist, insbesondere wenn Sie ein Anfänger sind. Emotiv BCI-Geräte sind in wenigen Minuten mit trockenen, halbtrockenen und Kochsalzlösungs-Sensoren eingerichtet.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Eigenschaften bietet, die für Ihr spezifisches Projekt benötigt werden. Emotiv-Headsets erfassen das gesamte Gehirn, aber als Faustregel gilt: BCI funktioniert besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet Emotiv Flex bis zu 32 Sensoren für eine maximale Gehirnerfassung, aber unsere Benutzer empfinden Epoc X oder Insight meist als völlig ausreichend für ihre BCI-Projekte und -Forschung. MN8 Brainwear-Geräte hingegen sind perfekt für die Entwicklung von mobilen BCI-Apps.
Platzierung der Sensoren: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo sich die Sensoren befinden und wie sich das auf Ihre Anforderungen auswirkt. Beispielsweise haben einige BCI-Geräte auf dem Markt nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie Komfort und Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie beabsichtigen, es über einen längeren Zeitraum zu tragen. Kochsalzlösung ist komfortabler als Gel, halbtrockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als Kochsalzlösung und trockene Sensoren sind am bequemsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität von Emotiv-Geräten.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das sich gut in Ihre vorhandene Software und Hardware integrieren lässt. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie Zugriff auf SDK und API haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und über eine engagierte Benutzer-Community verfügt. Emotiv bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Der Schutz Ihrer neuronalen Daten ist wichtig. Aus diesem Grund hat Emotiv seine EEG-Datenerfassung von Anfang an unter Berücksichtigung des Datenschutzes konzipiert. Sehen Sie, wie Emotiv Ihre Gehirndaten schützt.
Fazit
Der Start eines BCI-Projekts ist eine aufregende Reise, die ein immenses Potenzial für Innovation und Wirkung bietet. Egal, ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, Emotiv bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie für Ihren Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten erschließen.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und Ressourcen von Emotiv, um mit der Arbeit an Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Community von Innovatoren und Forschern an, die die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Technologie mit BCI-Technologie gestalten.
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Referenzen
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P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „The history of invasive EEG evaluation in epilepsy patients,“ Seizure, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implanted Brain-Computer Interface (BCI) Devices for Patients with Paralysis or Amputation - Non-clinical Testing and Clinical Considerations,“ U.S. Food And Drug Administration, 20. Mai 2021. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/implanted-brain-computer-interface-bci-devices-patients-paralysis-or-amputation-non-clinical-testing
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„Neuralink auf X: ‚We have received Breakthrough Device Designation from the FDA for Blindsight. Join us in our quest to bring back sight to those who have lost it. Apply to our Patient Registry and openings on our career page https://t.co/abBMTdv7Rh‘ / X,“ X (zuvor Twitter). https://x.com/neuralink/status/1836118060308271306?ref_src=twsrc%5Egoogle%7Ctwcamp%5Eserp%7Ctwgr%5Etweet
M. Ptito, M. Bleau, I. Djerourou, S. Paré, F. C. Schneider, und D.-R. Chebat, „Brain-Machine interfaces to assist the blind,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
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