Eine Anleitung zu Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten
Heidi Duran
23.09.2024
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Dank hochkarätiger Projekte wie Elon Musks Neuralink haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit Aufmerksamkeit erregt. Sie könnten überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie jedoch seit über vier Jahrzehnten existiert und dass man keine Operation benötigt, um eigene "gedankengesteuerte" Projekte zu erstellen.
EMOTIV debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie erheblich weiterentwickelt, zusammen mit Algorithmen des maschinellen Lernens und verbesserten Gehirnwellen-Sensoren. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an EMOTIV für ihre Bedürfnisse im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellenprojekte.
Ob Sie nun ein Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten zur Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Geräten für Gehirn-Computer-Schnittstellen, der Ihnen helfen soll, diese faszinierende Welt zu verstehen und zu erschließen.
Verstehen der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie (BCI) ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, eine BCI. In letzter Zeit wurde der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, die es Ihnen ermöglichen, Geräte "mit dem Geist zu steuern". Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben umwandeln, einschließlich der Steuerung eines Computer-Cursors, der Bewegung von Prothesen und der Schaffung interaktiver Spielerlebnisse. Die BCI-Technologie bietet neue Hoffnung für diejenigen ohne Nutzung ihrer Gliedmaßen, sowie für körperlich uneingeschränkte Innovatoren und Hobbyisten überall.
Da "BCI" zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den unterschiedlichen Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten zu unterscheiden, um Verwirrung zu verringern, damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für ihre Bedürfnisse auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten; die, die im Gehirn implantiert werden, und die, die Gehirnsignale von der Kopfhaut erfassen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung der Technologien zur Signalakquisition von BCI. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der chirurgischen Dimension, das drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, das drei Ebenen umfasst: keine Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakranial (invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalographie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dadurch können Ärzte ein klares elektrisches Signal für Forschung, Erkennung und Behandlung erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Anwendungen umfassen unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], das Umgehen von Lähmungen, die Aktivierung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die U.S. 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 der Hilfe eines BCI-Implantats durch die BrainGate-Studie. (Quelle: UC Regents)
Intrakranial (minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovascular (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße ins Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikographisch (ECoG) bezeichnet, die die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der harten Hirnhaut (subdurale ECoG) oder außerhalb der harten Hirnhaut (epidurale ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger invasiv als traditionelle BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schema der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Blutgefäß des oberen sagittalen Sinus (Einfügung) implantiert und mit einer implantierbaren Empfänger-Transmitter-Einheit (IRTU) im subkutanen Bereich verbunden. IRTU kommuniziert mit einer externen Empfangstelemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuereinheit für die Steuerung eines Laptops oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Blicktracker für die Computersteuerung. Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und BCI wird verwendet, um zu klicken. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Artikelscanner hebt Artikel nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf einen Artikel zu klicken, wenn er hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasive BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mit ihrer Umgebung über Gehirn-Computer-Schnittstellen zu interagieren. Man sieht Johns gehirngestütztes Kunstwerk HIER.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf ein Laborumfeld beschränkt, aber mit dem advent von kabellosen, forschungsgrad EEG-Geräten ist es möglich geworden, genaue Gehirnwellenmessungen überall durchzuführen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende nicht-invasiver BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen sind mit einem bestimmten Zweck im Kopf entworfen, wie Schlaf- oder Konzentrationsüberwachung. Die Preise können von ein paar Hundert bis zu Hunderttausenden variieren. EMOTIV bietet die vielseitigsten und erschwinglichsten kabellosen BCI-Geräte an, die von zwei Sensoren bis zu 32 Sensoren reichen und von Neurowissenschaftlern, Studenten, Lehrern, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern weltweit verwendet werden.
Laut einer Überprüfung von 2022 über begutachtete Artikel [10] ist EMOTIV das meistgenutzte Verbraucher-EEG-Gerät (67,69%) für wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen EMOTIV wegen seiner wissenschaftlich validierten Leistung, der Erschwinglichkeit im Vergleich zu traditionellen EEG-Laborgeräten und der Vielseitigkeit. Dasselbe EMOTIV-Headset, das in einem Universitätslabor verwendet wird, um bahnbrechende Forschungsarbeiten zum menschlichen Gehirn durchzuführen, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen weitergegeben und mit einem Studenten-BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen zu steuern.
EMOTIV BCI-Geräte
Bei EMOTIV haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit 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-Gamer Perrikaryal verwendet erfolgreich ein 2-Kanal EMOTIV MN8 Gehirntragbares Gerät, um ein Spiel von Halo mit BCI zu steuern.
Erste Schritte mit Ihrem BCI-Projekt
Bereits Erfahrung im Programmieren? | Nee, BCI ist neu für Sie? |
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Wie verwende ich BCI?
Sie benötigen fünf grundlegende Elemente, um Ihr BCI-Projekt zu starten.
Ein klares Ziel
Signalakquisitionsgerät, wie ein EEG-Headset von EMOTIV
Signalverarbeitungssoftware, wie EmotivBCI.
Zugewiesene BCI-Befehle (einige Programmiererfahrung erforderlich)
Zugriff auf das zu steuernde Gerät über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zur Empfange von BCI-Befehlen
Die richtigen BCI-Geräte auswählen
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, besonders wenn Sie Anfänger sind. EMOTIV BCI-Geräte können in wenigen Minuten mit trockenen, semi-trockenen und salinischen Sensoren eingerichtet werden.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Fähigkeiten bietet, die für Ihr spezifisches Projekt erforderlich sind. EMOTIV-Headsets sind für die gesamte Gehirnüberwachung geeignet, aber allgemein funktioniert BCI besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet EMOTIV FLEX bis zu 32 Sensoren für maximale Gehirnüberwachung, aber unsere Benutzer finden oft, dass EPOC X oder Insight mehr als ausreichend für ihre BCI-Projekte und Forschungen sind. MN8-Gehirntragbare Geräte sind unterdessen perfekt für die Entwicklung mobiler BCI-Apps.
Sensorplatzierung: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo die Sensoren platziert sind und wie sich das auf Ihre Bedürfnisse auswirkt. Einige BCI-Geräte auf dem Markt haben nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie den Komfort und die Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie es längere Zeit tragen möchten. Salzlösungen sind bequemer als Gel, semi-trockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als salinische und trockene Sensoren sind am praktischsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität der EMOTIV-Geräte.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das gut mit Ihren bestehenden Software- und Hardware-Tools integriert. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie SDK- und API-Zugriff haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und eine engagierte Nutzer-Community hat. EMOTIV bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Ihre neuronale Privatsphäre ist wichtig. Deshalb hat EMOTIV seit dem ersten Tag die EEG-Datensammlung mit Datenschutz im Hinterkopf entworfen. Sehen Sie, wie EMOTIV Ihre Hirndaten schützt.
Fazit
Ein BCI-Projekt zu starten, ist eine aufregende Reise, die immense Möglichkeiten für Innovation und Einfluss bietet. Ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, EMOTIV bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie zum Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten entfalten.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und -Ressourcen von EMOTIV, um mit Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Gemeinschaft von Innovatoren und Forschern an, die die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Technologie mit BCI-Technologie gestalten.
Treten Sie unserer Entwicklergemeinschaft bei
Teilen Sie uns Ihre BCI-Projekte mit! Taggen Sie #EMOTIV in sozialen Medien oder senden Sie eine E-Mail an hello@emotiv.com.
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Referenzen
Y. Sun et al., „Signalakquisition von Gehirn-Computer-Schnittstellen: Eine Übersichtsarbeit aus der Perspektive der medizinischen Ingenieurwissenschaft,“ Fundamental Research, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559
P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „Die Geschichte der invasiven EEG-Bewertung bei Epilepsiepatienten,“ Anfall, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implantierte Gehirn-Computer-Schnittstellengeräte (BCI) für Patienten mit Lähmung oder Amputation - Nichtklinische Tests und klinische Überlegungen,“ 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., „Reaktive tiefe Hirnstimulation, die durch die ventral-striatalen Elektrophysiologie von Besessenheit geleitet wird, mildert dauerhaft den Zwang,“ Neuron, Bd. 112, Nr. 1, S. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.
„Neuralink auf X: ‘Wir haben die Bezeichnung als Durchbruchgerät von der FDA für Blindsight erhalten. Treten Sie uns bei, um das Sehvermögen für diejenigen zurückzubringen, die es verloren haben. Bewerben Sie sich für unser Patientenregister und die Stellenangebote auf unserer Karriereseite https://t.co/abBMTdv7Rh’ / X,“ X (ehemals 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, „Gehirn-Maschine-Schnittstellen zur Unterstützung Blinder,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
P. Mitchell et al., „Bewertung der Sicherheit einer vollständig implantierten endovaskulären Gehirn-Computer-Schnittstelle für schwere Lähmungen bei 4 Patienten,“ JAMA Neurology, Bd. 80, Nr. 3, S. 270, März 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.
Q. He et al., „Die Gehirnnebel: minimal invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle durch endovaskuläre neuronale Aufzeichnung und 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, „Eine Scoping-Überprüfung zur Verwendung von EEG-Geräten der Konsumentenklasse für die Forschung,“ bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), Dez. 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.
D. Pawuś und S. Paszkiel, „BCI-Rollstuhlsteuerung mithilfe eines Expertensystems, das EEG-Signale auf der Grundlage von Leistungsspektrumschätzungen und der Erkennung nervöser Ticks klassifiziert,“ Applied Sciences, Bd. 12, Nr. 20, S. 10385, Okt. 2022, doi: 10.3390/app122010385.
Dank hochkarätiger Projekte wie Elon Musks Neuralink haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit Aufmerksamkeit erregt. Sie könnten überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie jedoch seit über vier Jahrzehnten existiert und dass man keine Operation benötigt, um eigene "gedankengesteuerte" Projekte zu erstellen.
EMOTIV debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie erheblich weiterentwickelt, zusammen mit Algorithmen des maschinellen Lernens und verbesserten Gehirnwellen-Sensoren. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an EMOTIV für ihre Bedürfnisse im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellenprojekte.
Ob Sie nun ein Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten zur Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Geräten für Gehirn-Computer-Schnittstellen, der Ihnen helfen soll, diese faszinierende Welt zu verstehen und zu erschließen.
Verstehen der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie (BCI) ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, eine BCI. In letzter Zeit wurde der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, die es Ihnen ermöglichen, Geräte "mit dem Geist zu steuern". Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben umwandeln, einschließlich der Steuerung eines Computer-Cursors, der Bewegung von Prothesen und der Schaffung interaktiver Spielerlebnisse. Die BCI-Technologie bietet neue Hoffnung für diejenigen ohne Nutzung ihrer Gliedmaßen, sowie für körperlich uneingeschränkte Innovatoren und Hobbyisten überall.
Da "BCI" zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den unterschiedlichen Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten zu unterscheiden, um Verwirrung zu verringern, damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für ihre Bedürfnisse auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten; die, die im Gehirn implantiert werden, und die, die Gehirnsignale von der Kopfhaut erfassen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung der Technologien zur Signalakquisition von BCI. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der chirurgischen Dimension, das drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, das drei Ebenen umfasst: keine Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakranial (invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalographie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dadurch können Ärzte ein klares elektrisches Signal für Forschung, Erkennung und Behandlung erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Anwendungen umfassen unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], das Umgehen von Lähmungen, die Aktivierung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die U.S. 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 der Hilfe eines BCI-Implantats durch die BrainGate-Studie. (Quelle: UC Regents)
Intrakranial (minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovascular (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße ins Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikographisch (ECoG) bezeichnet, die die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der harten Hirnhaut (subdurale ECoG) oder außerhalb der harten Hirnhaut (epidurale ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger invasiv als traditionelle BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schema der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Blutgefäß des oberen sagittalen Sinus (Einfügung) implantiert und mit einer implantierbaren Empfänger-Transmitter-Einheit (IRTU) im subkutanen Bereich verbunden. IRTU kommuniziert mit einer externen Empfangstelemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuereinheit für die Steuerung eines Laptops oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Blicktracker für die Computersteuerung. Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und BCI wird verwendet, um zu klicken. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Artikelscanner hebt Artikel nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf einen Artikel zu klicken, wenn er hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasive BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mit ihrer Umgebung über Gehirn-Computer-Schnittstellen zu interagieren. Man sieht Johns gehirngestütztes Kunstwerk HIER.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf ein Laborumfeld beschränkt, aber mit dem advent von kabellosen, forschungsgrad EEG-Geräten ist es möglich geworden, genaue Gehirnwellenmessungen überall durchzuführen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende nicht-invasiver BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen sind mit einem bestimmten Zweck im Kopf entworfen, wie Schlaf- oder Konzentrationsüberwachung. Die Preise können von ein paar Hundert bis zu Hunderttausenden variieren. EMOTIV bietet die vielseitigsten und erschwinglichsten kabellosen BCI-Geräte an, die von zwei Sensoren bis zu 32 Sensoren reichen und von Neurowissenschaftlern, Studenten, Lehrern, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern weltweit verwendet werden.
Laut einer Überprüfung von 2022 über begutachtete Artikel [10] ist EMOTIV das meistgenutzte Verbraucher-EEG-Gerät (67,69%) für wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen EMOTIV wegen seiner wissenschaftlich validierten Leistung, der Erschwinglichkeit im Vergleich zu traditionellen EEG-Laborgeräten und der Vielseitigkeit. Dasselbe EMOTIV-Headset, das in einem Universitätslabor verwendet wird, um bahnbrechende Forschungsarbeiten zum menschlichen Gehirn durchzuführen, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen weitergegeben und mit einem Studenten-BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen zu steuern.
EMOTIV BCI-Geräte
Bei EMOTIV haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit 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-Gamer Perrikaryal verwendet erfolgreich ein 2-Kanal EMOTIV MN8 Gehirntragbares Gerät, um ein Spiel von Halo mit BCI zu steuern.
Erste Schritte mit Ihrem BCI-Projekt
Bereits Erfahrung im Programmieren? | Nee, BCI ist neu für Sie? |
Starten Sie hier: | Hier ist ein Startleitfaden: |
Wie verwende ich BCI?
Sie benötigen fünf grundlegende Elemente, um Ihr BCI-Projekt zu starten.
Ein klares Ziel
Signalakquisitionsgerät, wie ein EEG-Headset von EMOTIV
Signalverarbeitungssoftware, wie EmotivBCI.
Zugewiesene BCI-Befehle (einige Programmiererfahrung erforderlich)
Zugriff auf das zu steuernde Gerät über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zur Empfange von BCI-Befehlen
Die richtigen BCI-Geräte auswählen
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, besonders wenn Sie Anfänger sind. EMOTIV BCI-Geräte können in wenigen Minuten mit trockenen, semi-trockenen und salinischen Sensoren eingerichtet werden.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Fähigkeiten bietet, die für Ihr spezifisches Projekt erforderlich sind. EMOTIV-Headsets sind für die gesamte Gehirnüberwachung geeignet, aber allgemein funktioniert BCI besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet EMOTIV FLEX bis zu 32 Sensoren für maximale Gehirnüberwachung, aber unsere Benutzer finden oft, dass EPOC X oder Insight mehr als ausreichend für ihre BCI-Projekte und Forschungen sind. MN8-Gehirntragbare Geräte sind unterdessen perfekt für die Entwicklung mobiler BCI-Apps.
Sensorplatzierung: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo die Sensoren platziert sind und wie sich das auf Ihre Bedürfnisse auswirkt. Einige BCI-Geräte auf dem Markt haben nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie den Komfort und die Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie es längere Zeit tragen möchten. Salzlösungen sind bequemer als Gel, semi-trockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als salinische und trockene Sensoren sind am praktischsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität der EMOTIV-Geräte.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das gut mit Ihren bestehenden Software- und Hardware-Tools integriert. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie SDK- und API-Zugriff haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und eine engagierte Nutzer-Community hat. EMOTIV bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Ihre neuronale Privatsphäre ist wichtig. Deshalb hat EMOTIV seit dem ersten Tag die EEG-Datensammlung mit Datenschutz im Hinterkopf entworfen. Sehen Sie, wie EMOTIV Ihre Hirndaten schützt.
Fazit
Ein BCI-Projekt zu starten, ist eine aufregende Reise, die immense Möglichkeiten für Innovation und Einfluss bietet. Ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, EMOTIV bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie zum Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten entfalten.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und -Ressourcen von EMOTIV, um mit Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Gemeinschaft von Innovatoren und Forschern an, die die Zukunft der Interaktion zwischen Mensch und Technologie mit BCI-Technologie gestalten.
Treten Sie unserer Entwicklergemeinschaft bei
Teilen Sie uns Ihre BCI-Projekte mit! Taggen Sie #EMOTIV in sozialen Medien oder senden Sie eine E-Mail an hello@emotiv.com.
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Referenzen
Y. Sun et al., „Signalakquisition von Gehirn-Computer-Schnittstellen: Eine Übersichtsarbeit aus der Perspektive der medizinischen Ingenieurwissenschaft,“ Fundamental Research, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559
P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „Die Geschichte der invasiven EEG-Bewertung bei Epilepsiepatienten,“ Anfall, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implantierte Gehirn-Computer-Schnittstellengeräte (BCI) für Patienten mit Lähmung oder Amputation - Nichtklinische Tests und klinische Überlegungen,“ 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., „Reaktive tiefe Hirnstimulation, die durch die ventral-striatalen Elektrophysiologie von Besessenheit geleitet wird, mildert dauerhaft den Zwang,“ Neuron, Bd. 112, Nr. 1, S. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.
„Neuralink auf X: ‘Wir haben die Bezeichnung als Durchbruchgerät von der FDA für Blindsight erhalten. Treten Sie uns bei, um das Sehvermögen für diejenigen zurückzubringen, die es verloren haben. Bewerben Sie sich für unser Patientenregister und die Stellenangebote auf unserer Karriereseite https://t.co/abBMTdv7Rh’ / X,“ X (ehemals 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, „Gehirn-Maschine-Schnittstellen zur Unterstützung Blinder,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
P. Mitchell et al., „Bewertung der Sicherheit einer vollständig implantierten endovaskulären Gehirn-Computer-Schnittstelle für schwere Lähmungen bei 4 Patienten,“ JAMA Neurology, Bd. 80, Nr. 3, S. 270, März 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.
Q. He et al., „Die Gehirnnebel: minimal invasive Gehirn-Computer-Schnittstelle durch endovaskuläre neuronale Aufzeichnung und 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, „Eine Scoping-Überprüfung zur Verwendung von EEG-Geräten der Konsumentenklasse für die Forschung,“ bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), Dez. 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.
D. Pawuś und S. Paszkiel, „BCI-Rollstuhlsteuerung mithilfe eines Expertensystems, das EEG-Signale auf der Grundlage von Leistungsspektrumschätzungen und der Erkennung nervöser Ticks klassifiziert,“ Applied Sciences, Bd. 12, Nr. 20, S. 10385, Okt. 2022, doi: 10.3390/app122010385.
Dank hochkarätiger Projekte wie Elon Musks Neuralink haben Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCI) in den letzten Jahren weltweit Aufmerksamkeit erregt. Sie könnten überrascht sein zu erfahren, dass die BCI-Technologie jedoch seit über vier Jahrzehnten existiert und dass man keine Operation benötigt, um eigene "gedankengesteuerte" Projekte zu erstellen.
EMOTIV debütierte 2011 und präsentierte sein erstes kabelloses EEG-Headset als revolutionäres BCI-Gaming-Gerät. Seitdem hat sich die Technologie erheblich weiterentwickelt, zusammen mit Algorithmen des maschinellen Lernens und verbesserten Gehirnwellen-Sensoren. Heute wenden sich BCI-Enthusiasten immer noch an EMOTIV für ihre Bedürfnisse im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellenprojekte.
Ob Sie nun ein Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, die Welt der BCI bietet aufregende Möglichkeiten zur Innovation und Entdeckung. Hier ist ein Leitfaden zu Geräten für Gehirn-Computer-Schnittstellen, der Ihnen helfen soll, diese faszinierende Welt zu verstehen und zu erschließen.
Verstehen der Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie
Die Gehirn-Computer-Schnittstellentechnologie (BCI) ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen dem Gehirn und externen Geräten. Technisch gesehen ist jedes Gerät, das Gehirnsignale liest, eine BCI. In letzter Zeit wurde der Begriff hauptsächlich verwendet, um BCIs zu beschreiben, die es Ihnen ermöglichen, Geräte "mit dem Geist zu steuern". Dieselbe Technologie, die hilft, die Gehirnfunktion zu verstehen, kann Gehirnsignale in Befehle für verschiedene Aufgaben umwandeln, einschließlich der Steuerung eines Computer-Cursors, der Bewegung von Prothesen und der Schaffung interaktiver Spielerlebnisse. Die BCI-Technologie bietet neue Hoffnung für diejenigen ohne Nutzung ihrer Gliedmaßen, sowie für körperlich uneingeschränkte Innovatoren und Hobbyisten überall.
Da "BCI" zu einem Schlagwort im Zeitgeist geworden ist, ist es wichtig, zwischen den unterschiedlichen Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten zu unterscheiden, um Verwirrung zu verringern, damit Verbraucher und Institutionen das richtige BCI-Gerät für ihre Bedürfnisse auswählen können.
BCI-Geräte: Operation vs. Headset
Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Typen von Gehirn-Computer-Schnittstellengeräten; die, die im Gehirn implantiert werden, und die, die Gehirnsignale von der Kopfhaut erfassen (Abb. 1). Hier sind die Unterschiede.
Abbildung 1. Klassifizierung der Technologien zur Signalakquisition von BCI. (a) ist das Klassifizierungsdiagramm der chirurgischen Dimension, das drei Ebenen umfasst: nicht-invasiv, minimal-invasiv und invasiv. (b) zeigt das Klassifizierungsdiagramm der Erfassungsdimension, das drei Ebenen umfasst: keine Implantation, Intervention und Implantation. [1]
Intrakranial (invasiv)
Die intrakranielle Elektroenzephalographie (iEEG) implantiert Elektroden direkt im Kopf einer Person. Dadurch können Ärzte ein klares elektrisches Signal für Forschung, Erkennung und Behandlung erhalten. Gehirnimplantate können entweder Daten lesen, das Gehirn stimulieren oder beides. Anwendungen umfassen unter anderem die Bewertung epileptischer Anfälle [2], die Behandlung psychischer Erkrankungen [3], das Umgehen von Lähmungen, die Aktivierung von Gedanken-zu-Text oder Gedanken-zu-Sprache (Abb. 2) und sogar die Wiederherstellung des Sehvermögens [4][5].
Die U.S. 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 der Hilfe eines BCI-Implantats durch die BrainGate-Studie. (Quelle: UC Regents)
Intrakranial (minimal-invasiv)
Forscher haben mit weniger invasiven Methoden experimentiert, um direkte Informationen aus dem Gehirn zu lesen. Eine Methode ist endovascular (Abb. 3), bei der Elektroden über einen Stent durch die Blutgefäße ins Gehirn gesendet werden [7][8].
Eine andere Methode wird als elektrokortikographisch (ECoG) bezeichnet, die die chirurgische Platzierung von Elektroden unter dem Schädel erfordert, entweder unter der harten Hirnhaut (subdurale ECoG) oder außerhalb der harten Hirnhaut (epidurale ECoG). Das Verfahren ist invasiv, aber weniger invasiv als traditionelle BCI-Implantate [9].
Abbildung 3. A, Schema der vollständig implantierten Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Ein Gerät mit Elektroden wird im Blutgefäß des oberen sagittalen Sinus (Einfügung) implantiert und mit einer implantierbaren Empfänger-Transmitter-Einheit (IRTU) im subkutanen Bereich verbunden. IRTU kommuniziert mit einer externen Empfangstelemetrieeinheit (ERTU), die Signale an eine Signalsteuereinheit für die Steuerung eines Laptops oder Tablets weiterleitet. B, BCI mit einem Blicktracker für die Computersteuerung. Blickverfolgung wird verwendet, um den Cursor zu bewegen, und BCI wird verwendet, um zu klicken. C, BCI ohne Blickverfolgung zur Computersteuerung. Ein Artikelscanner hebt Artikel nacheinander hervor, und das BCI wird verwendet, um auf einen Artikel zu klicken, wenn er hervorgehoben ist [7].
Nicht-invasive BCI (EEG-Headsets)
Abbildung 4. John nimmt an BCI4Kids teil, einem Programm, das Kindern mit Behinderungen hilft, mit ihrer Umgebung über Gehirn-Computer-Schnittstellen zu interagieren. Man sieht Johns gehirngestütztes Kunstwerk HIER.
Nicht-invasive BCI-Geräte verwenden Elektroden, um elektrische Signale durch die Kopfhaut einer Person zu lesen. Dieser Prozess war traditionell auf ein Laborumfeld beschränkt, aber mit dem advent von kabellosen, forschungsgrad EEG-Geräten ist es möglich geworden, genaue Gehirnwellenmessungen überall durchzuführen (Abb. 4).
Derzeit gibt es Dutzende nicht-invasiver BCI-Headsets auf dem Markt – viele von ihnen sind mit einem bestimmten Zweck im Kopf entworfen, wie Schlaf- oder Konzentrationsüberwachung. Die Preise können von ein paar Hundert bis zu Hunderttausenden variieren. EMOTIV bietet die vielseitigsten und erschwinglichsten kabellosen BCI-Geräte an, die von zwei Sensoren bis zu 32 Sensoren reichen und von Neurowissenschaftlern, Studenten, Lehrern, Innovatoren, Gamern, Hobbyisten und Künstlern weltweit verwendet werden.
Laut einer Überprüfung von 2022 über begutachtete Artikel [10] ist EMOTIV das meistgenutzte Verbraucher-EEG-Gerät (67,69%) für wissenschaftliche Forschung. Forscher vertrauen EMOTIV wegen seiner wissenschaftlich validierten Leistung, der Erschwinglichkeit im Vergleich zu traditionellen EEG-Laborgeräten und der Vielseitigkeit. Dasselbe EMOTIV-Headset, das in einem Universitätslabor verwendet wird, um bahnbrechende Forschungsarbeiten zum menschlichen Gehirn durchzuführen, kann mit der Musikabteilung für eine BCI-Performance geteilt, dann an die Psychologieabteilung für praktisches Lernen weitergegeben und mit einem Studenten-BCI-Club geteilt werden, um gehirngesteuerte Drohnen zu steuern.
EMOTIV BCI-Geräte
Bei EMOTIV haben wir kabellose BCI-Geräte für Anfänger und erfahrene Benutzer.
Oben: Ein Rollstuhl wird mit 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-Gamer Perrikaryal verwendet erfolgreich ein 2-Kanal EMOTIV MN8 Gehirntragbares Gerät, um ein Spiel von Halo 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
Signalakquisitionsgerät, wie ein EEG-Headset von EMOTIV
Signalverarbeitungssoftware, wie EmotivBCI.
Zugewiesene BCI-Befehle (einige Programmiererfahrung erforderlich)
Zugriff auf das zu steuernde Gerät über SDK, Arduino-Board usw.
Ein Gerät zur Empfange von BCI-Befehlen
Die richtigen BCI-Geräte auswählen
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, besonders wenn Sie Anfänger sind. EMOTIV BCI-Geräte können in wenigen Minuten mit trockenen, semi-trockenen und salinischen Sensoren eingerichtet werden.
Funktionalität: Stellen Sie sicher, dass das Gerät die Funktionen und Fähigkeiten bietet, die für Ihr spezifisches Projekt erforderlich sind. EMOTIV-Headsets sind für die gesamte Gehirnüberwachung geeignet, aber allgemein funktioniert BCI besser mit mehr Sensoren. Nach dieser Logik verwendet EMOTIV FLEX bis zu 32 Sensoren für maximale Gehirnüberwachung, aber unsere Benutzer finden oft, dass EPOC X oder Insight mehr als ausreichend für ihre BCI-Projekte und Forschungen sind. MN8-Gehirntragbare Geräte sind unterdessen perfekt für die Entwicklung mobiler BCI-Apps.
Sensorplatzierung: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines EEG-Headsets, wo die Sensoren platziert sind und wie sich das auf Ihre Bedürfnisse auswirkt. Einige BCI-Geräte auf dem Markt haben nur einen Sensor oder mehrere Sensoren, die sich nur am Hinterkopf befinden.
Nasse vs. trockene Sensoren: Berücksichtigen Sie den Komfort und die Signalqualität bei der Auswahl eines BCI-Geräts, insbesondere wenn Sie es längere Zeit tragen möchten. Salzlösungen sind bequemer als Gel, semi-trockene Sensoren sind einfacher zu verwenden als salinische und trockene Sensoren sind am praktischsten zu verwenden. Vergleichen Sie die Signalqualität der EMOTIV-Geräte.
Kompatibilität: Wählen Sie ein Gerät, das gut mit Ihren bestehenden Software- und Hardware-Tools integriert. Wenn Sie BCI in ein bestehendes System (Drohnen, Spotify, Internet der Dinge usw.) integrieren möchten, stellen Sie sicher, dass Sie SDK- und API-Zugriff haben.
Support: Wählen Sie ein Gerät von einem Unternehmen, das starken Support bietet und eine engagierte Nutzer-Community hat. EMOTIV bietet eine umfangreiche Wissensdatenbank und Kundensupport.
Daten und Datenschutz: Ihre neuronale Privatsphäre ist wichtig. Deshalb hat EMOTIV seit dem ersten Tag die EEG-Datensammlung mit Datenschutz im Hinterkopf entworfen. Sehen Sie, wie EMOTIV Ihre Hirndaten schützt.
Fazit
Ein BCI-Projekt zu starten, ist eine aufregende Reise, die immense Möglichkeiten für Innovation und Einfluss bietet. Ob Sie Anfänger oder ein erfahrener Profi sind, EMOTIV bietet die Werkzeuge und den Support, die Sie zum Erfolg benötigen. Mit dem richtigen BCI-Gerät und einer klaren Vision können Sie neue Möglichkeiten entfalten.
Entdecken Sie noch heute die BCI-Geräte und -Ressourcen von EMOTIV, um mit Ihrem BCI-Projekt zu beginnen. Schließen Sie sich der Gemeinschaft 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., „Signalakquisition von Gehirn-Computer-Schnittstellen: Eine Übersichtsarbeit aus der Perspektive der medizinischen Ingenieurwissenschaft,“ Fundamental Research, Apr. 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559
P. S. Reif, A. Strzelczyk, und F. Rosenow, „Die Geschichte der invasiven EEG-Bewertung bei Epilepsiepatienten,“ Anfall, Bd. 41, S. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.
Center for Devices and Radiological Health, „Implantierte Gehirn-Computer-Schnittstellengeräte (BCI) für Patienten mit Lähmung oder Amputation - Nichtklinische Tests und klinische Überlegungen,“ 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: ‘Wir haben die Bezeichnung als Durchbruchgerät von der FDA für Blindsight erhalten. Treten Sie uns bei, um das Sehvermögen für diejenigen zurückzubringen, die es verloren haben. Bewerben Sie sich für unser Patientenregister und die Stellenangebote auf unserer Karriereseite https://t.co/abBMTdv7Rh’ / X,“ X (ehemals 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, „Gehirn-Maschine-Schnittstellen zur Unterstützung Blinder,“ Frontiers in Human Neuroscience, Bd. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.
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