به لطف پروژه‌های برجسته‌ای مانند Neuralink متعلق به ایلان ماسک، واسط‌های مغز و رایانه (BCI) در سال‌های اخیر توجه جهانی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، ممکن است تعجب کنید اگر بدانید فناوری BCI بیش از چهار دهه است که وجود دارد و برای ساخت پروژه‌های «تحت کنترل ذهن» خود نیازی به جراحی ندارید.

Emotiv در سال ۲۰۱۱ آغاز به کار کرد و اولین هدست بی‌سیم EEG خود را به عنوان یک دستگاه بازی انقلابی BCI معرفی نمود. از آن زمان، این فناوری در کنار الگوریتم‌های یادگیری ماشین و حسگرهای بهبودیافته امواج مغزی، پیشرفت چشمگیری داشته است. امروزه، علاقه‌مندان به BCI همچنان برای رفع نیازهای پروژه‌های واسط مغز و رایانه خود به Emotiv مراجعه می‌کنند.

چه مبتدی باشید و چه حرفه‌ای باتجربه، دنیای BCI فرصت‌های هیجان‌انگیزی را برای نوآوری و کشف ارائه می‌دهد. در اینجا راهنمایی برای دستگاه‌های واسط مغز و رایانه آورده شده است تا به شما در درک و دسترسی به این دنیای شگفت‌انگیز کمک کند.

درک فناوری واسط مغز و رایانه

فناوری واسط مغز و رایانه (BCI) امکان ارتباط مستقیم بین مغز و دستگاه‌های خارجی را فراهم می‌کند. از نظر فنی، هر دستگاهی که سیگنال‌های مغزی را بخواند BCI است. اخیراً، این اصطلاح عمدتاً برای توصیف BCIهایی استفاده می‌شود که به شما امکان می‌دهند دستگاه‌ها را «با ذهن خود کنترل کنید». همان فناوری که به درک عملکرد مغز کمک می‌کند، می‌تواند سیگنال‌های مغزی را به دستوراتی برای کارهای مختلف، از جمله کنترل مکان‌نمای رایانه، حرکت دادن اندام‌های مصنوعی و ایجاد تجربیات بازی تعاملی ترجمه کند. فناوری BCI علاوه بر نوآوران و علاقه‌مندان توانمند در همه جا، امید جدیدی را به افرادی که توانایی استفاده از اندام‌های خود را ندارند ارائه می‌دهد.

از آنجایی که «BCI» به یک واژه رایج در ذهنیت جامعه تبدیل شده است، تشخیص تفاوت بین انواع دستگاه‌های واسط مغز و رایانه برای رفع ابهام و کمک به مصرف‌کنندگان و موسسات جهت انتخاب دستگاه BCI مناسب بسیار مهم است.

دستگاه‌های BCI: جراحی در مقابل هدست

در حال حاضر دو نوع متمایز از دستگاه‌های واسط مغز و رایانه وجود دارد؛ آن‌هایی که در مغز کاشته می‌شوند و آن‌هایی که سیگنال‌های مغزی را از روی پوست سر می‌خوانند (شکل ۱). تفاوت‌ها در اینجا آورده شده است.

شکل ۱. طبقه‌بندی فناوری‌های دریافت سیگنال BCI. (الف) نمودار طبقه‌بندی بعد جراحی است که شامل سه سطح غیرتهاجمی، کم‌تهاجمی و تهاجمی است. (ب) نمودار طبقه‌بندی بعد تشخیص را نشان می‌دهد که شامل سه سطح بدون کاشت، مداخله‌ای و کاشتی است. [1]

درون‌جمجمه‌ای (تهاجمی)

الکتروانسفالوگرافی درون‌جمجمه‌ای (iEEG) الکترودها را مستقیماً در داخل سر فرد می‌کارد. این کار به پزشکان اجازه می‌دهد تا سیگنال الکترونیکی واضحی برای تحقیق، تشخیص و درمان به دست آورند. ایمپلنت‌های مغزی می‌توانند داده‌ها را بخوانند، مغز را تحریک کنند یا هر دو کار را انجام دهند. کاربردهای آن‌ها شامل مواردی مانند ارزیابی حملات صرع [2]، درمان بیمارهای روانی [3]، دور زدن فلج، فعال کردن قابلیت تبدیل فکر به متن یا فکر به گفتار (شکل ۲) و حتی بازگرداندن بینایی [4][5] می‌شود، اما به این موارد محدود نیست.

سازمان غذا و داروی ایالات متحده دستگاه‌های BCI کاشته شده را به عنوان «پروتزهای عصبی که با سیستم عصبی مرکزی یا محیطی ارتباط برقرار می‌کنند تا توانایی‌های حرکتی و/یا حسی از دست رفته را در بیماران مبتلا به فلج یا قطع عضو بازگردانند» تعریف می‌کند [6].

شکل ۲. کیسی هارل، مبتلا به ALS، با کمک ایمپلنت BCI از طریق کارآزمایی بالینی BrainGate دوباره صحبت می‌کند. (اعتبار: UC Regents)

درون‌جمجمه‌ای (کم‌تهاجمی)

محققان روش‌های کم‌تهاجمی‌تری را برای خواندن اطلاعات مستقیم از مغز آزمایش کرده‌اند. یک روش، درون‌رگی است (شکل ۳) که الکترودها را از طریق یک استنت از طریق رگ‌های خونی به مغز می‌فرستد [7][8].

روش دیگر الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) نام دارد که نیاز به قرار دادن جراحی الکترودها در زیر جمجمه، یا در زیر سخت‌شامه (ECoG زیر سخت‌شامه‌ای) یا در خارج از سخت‌شامه (ECoG روی سخت‌شامه‌ای) دارد. این روش تهاجمی است اما نسبت به ایمپلنت‌های سنتی BCI تهاجم کمتری دارد [9].

شکل ۳. الف، طرحواره واسط مغز و رایانه (BCI) کاملاً کاشته شده. دستگاهی دارای الکترود در رگ خونی سینوس ساژیتال فوقانی (کادر کوچک) کاشته شده و به یک واحد فرستنده گیرنده قابل کاشت (IRTU) در بافت زیرپوستی متصل می‌شود. IRTU با یک واحد تله‌متری گیرنده خارجی (ERTU) ارتباط برقرار می‌کند، که سیگنال‌ها را به یک واحد کنترل سیگنال برای کنترل لپ‌تاپ یا تبلت رله می‌کند. ب، BCI همراه با ردیاب چشم برای کنترل رایانه. از ردیابی چشم برای حرکت دادن مکان‌نما و از BCI برای کلیک کردن استفاده می‌شود. ج، BCI بدون ردیابی چشم برای کنترل رایانه. یک اسکنر آیتم‌ها، موارد را به ترتیب برجسته می‌کند و از BCI برای کلیک روی یک آیتم در هنگام برجسته شدن استفاده می‌شود [7].

BCI غیرتهاجمی (هدست‌های EEG)

شکل ۴. جان در BCI4Kids شرکت می‌کند، برنامه‌ای که به کودکان دارای معلولیت کمک می‌کند تا با استفاده از واسط‌های مغز و رایانه با محیط خود تعامل داشته باشند. می‌توانید آثار هنری جان که با نیروی مغز خلق شده‌اند را در اینجا ببینید.

دستگاه‌های BCI غیرتهاجمی از الکترودها برای خواندن سیگنال‌های الکتریکی از روی پوست سر فرد استفاده می‌کنند. این فرآیند به طور سنتی به محیط آزمایشگاهی محدود می‌شد، اما ظهور دستگاه‌های EEG بی‌سیم و با گرید تحقیقاتی امکان خواندن دقیق امواج مغزی را در هر مکانی فراهم کرده است (شکل ۴).

در حال حاضر ده‌ها هدست غیرتهاجمی BCI در بازار وجود دارد که بسیاری از آن‌ها با یک هدف خاص مانند نظارت بر خواب یا تمرکز طراحی شده‌اند. قیمت‌ها ممکن است از چند صد دلار تا صدها هزار دلار متغیر باشد. Emotiv متنوع‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین دستگاه‌های بی‌سیم BCI را ارائه می‌دهد که از ۲ تا ۳۲ حسگر را شامل می‌شود و توسط متخصصان علوم اعصاب، دانشجویان، مربیان، نوآوران، گیمرها، علاقه‌مندان و هنرمندان در سراسر جهان استفاده می‌شود.

بر اساس ممیزی مقالات داوری شده در سال ۲۰۲۲ [10]، Emotiv پرکاربردترین دستگاه EEG مصرفی (۶۷.۶۹٪) برای تحقیقات علمی است. محققان به دلیل عملکرد تایید شده علمی، مقرون‌به‌صرفه بودن در مقایسه با تجهیزات آزمایشگاهی سنتی EEG و تطبیق‌پذیری بالا، به Emotiv اعتماد دارند. همان هدست Emotiv که در یک آزمایشگاه دانشگاهی برای انجام تحقیقات پیشگامانه روی مغز انسان استفاده می‌شود، می‌تواند با دپارتمان موسیقی برای اجرای BCI به اشتراک گذاشته شود، سپس برای یادگیری عملی به دپارتمان روانشناسی منتقل شود و با یک باشگاه دانشجویی BCI برای مسابقه با پهپادهای تحت کنترل ذهن به اشتراک گذاشته شود.

دستگاه‌های Emotiv BCI

در Emotiv، ما دستگاه‌های بی‌سیم BCI را هم برای مبتدیان و هم برای کاربران باتجربه داریم.

بالا: یک ویلچر با استفاده از Emotiv Flex به عنوان یک دستگاه BCI کنترل می‌شود [11].

بالا: یک دانشجو از Epoc X و برد آردوینو برای کنترل یک بازوی رباتیک استفاده می‌کند. (منبع: Matt Su)

بالا: یک دانشجو در دانشگاه فلوریدا از یک دستگاه Emotiv Insight BCI برای کنترل پهپاد استفاده می‌کند. (منبع)

شکل ۵. پریکاریال، گیمر توییچ، با موفقیت از یک گجت پوشیدنی مغزی ۲ کاناله Emotiv MN8 برای کنترل بازی Halo با BCI استفاده می‌کند.

شروع کار با پروژه BCI خود

چگونه از BCI استفاده کنم؟

برای شروع پروژه BCI خود به پنج عنصر اساسی نیاز دارید.

1. یک هدف واضح

2. دستگاه دریافت سیگنال، مانند یک هدست EEG از Emotiv

3. نرم‌افزار پردازش سیگنال، مانند EmotivBCI.

4. دستورات BCI اختصاص داده شده (کمی تجربه کدنویسی نیاز است)

5. دسترسی به دستگاهی که می‌خواهید از طریق SDK، برد آردوینو و غیره کنترل کنید.

6. دستگاهی برای دریافت دستورات BCI

انتخاب دستگاه‌های BCI مناسب

انتخاب دستگاه BCI مناسب برای موفقیت پروژه شما بسیار مهم است. در اینجا برخی از ملاحظات کلیدی آورده شده است:

سهولت استفاده: به دنبال دستگاهی باشید که کاربرپسند بوده و راه‌اندازی آن آسان باشد، به خصوص اگر مبتدی هستید. دستگاه‌های Emotiv BCI در عرض چند دقیقه با حسگرهای خشک، نیمه‌خشک و نمکی راه‌اندازی می‌شوند.

1. عملکرد: مطمئن شوید که دستگاه ویژگی‌ها و قابلیت‌های مورد نیاز برای پروژه خاص شما را ارائه می‌دهد. هدست‌های Emotiv کل مغز را حس می‌کنند اما به عنوان یک قاعده کلی، BCI با حسگرهای بیشتر بهتر کار می‌کند. با این منطق، Emotiv Flex از حداکثر ۳۲ حسگر برای حداکثر سنجش مغز استفاده می‌کند، اما کاربران ما معمولاً Epoc X یا Insight را برای پروژه‌ها و تحقیقات BCI خود کاملاً کافی می‌دانند. در این میان، دستگاه‌های پوشیدنی مغزی MN8 برای توسعه اپلیکیشن‌های موبایل BCI عالی هستند.

2. محل قرارگیری حسگر: هنگام انتخاب هدست EEG، در نظر بگیرید که حسگرها در کجا قرار دارند و این امر چه تأثیری بر نیازهای شما می‌گذارد. به عنوان مثال، برخی از دستگاه‌های BCI موجود در بازار تنها یک حسگر یا چند حسگر دارند که فقط در پشت سر قرار گرفته‌اند.

3. حسگرهای مرطوب در مقابل خشک: هنگام انتخاب دستگاه BCI، به خصوص اگر قصد دارید آن را برای مدت طولانی بپوشید، راحتی و کیفیت سیگنال را در نظر بگیرید. محلول نمکی راحت‌تر از ژل است، حسگرهای نیمه‌خشک راحت‌تر از محلول نمکی استفاده می‌شوند و حسگرهای خشک راحت‌ترین گزینه برای استفاده هستند. کیفیت سیگنال دستگاه‌های Emotiv را مقایسه کنید.

4. سازگاری: دستگاهی را انتخاب کنید که به خوبی با نرم‌افزار و ابزارهای سخت‌افزاری موجود شما سازگار شود. اگر می‌خواهید BCI را با یک سیستم موجود (پهپادها، اسپاتیفای، اینترنت اشیا و غیره) ادغام کنید، مطمئن شوید که به SDK و API دسترسی دارید.

5. پشتیبانی: دستگاهی را از شرکتی انتخاب کنید که پشتیبانی قوی ارائه می‌دهد و جامعه کاربران فعالی دارد. Emotiv یک پایگاه دانش گسترده و پشتیبانی مشتریان ارائه می‌دهد.

6. داده‌ها و حریم خصوصی: حریم خصوصی عصبی شما مهم است. به همین دلیل است که Emotiv از همان روز اول، جمع‌آوری داده‌های EEG خود را با در نظر گرفتن حریم خصوصی طراحی کرده است. ببینید Emotiv چگونه از داده‌های مغزی شما محافظت می‌کند.

نتیجه‌گیری

شروع یک پروژه BCI سفری هیجان‌انگیز است که پتانسیل عظیمی برای نوآوری و تأثیرگذاری دارد. فرقی نمی‌کند تازه‌کار باشید یا حرفه‌ای باسابقه، Emotiv ابزارها و پشتیبانی لازم برای موفقیت را در اختیارتان می‌گذارد. با انتخاب دستگاه BCI مناسب و داشتن یک چشم‌انداز روشن، می‌توانید امکانات جدید را کشف کنید.

امروز دستگاه‌ها و منابع Emotiv BCI را کشف کنید تا کار روی پروژه BCI خود را آغاز کنید. به جامعه نوآوران و محققانی بپیوندید که در حال شکل دادن به آینده تعامل انسان و فناوری با تکنولوژی BCI هستند.

به جامعه توسعه‌دهندگان ما بپیوندید

پروژه‌های BCI خود را با ما به اشتراک بگذارید! هشتگ Emotiv# را در رسانه‌های اجتماعی تگ کنید یا به آدرس hello@emotiv.com ایمیل بزنید.

به کمک بیشتری نیاز دارید؟ با ما تماس بگیرید

منابع

1. 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. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559

2. P. S. Reif, A. Strzelczyk, and F. Rosenow, “The history of invasive EEG evaluation in epilepsy patients,” Seizure, vol. 41, pp. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.

3. Center for Devices and Radiological Health, “Implanted Brain-Computer Interface (BCI) Devices for Patients with Paralysis or Emputation - Non-clinical Testing and Clinical Considerations,” U.S. Food And Drug Administration, May 20, 2021. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/implanted-brain-computer-interface-bci-devices-patients-paralysis-or-amputation-non-clinical-testing

4. Y.-H. Nho et al., “Responsive deep brain stimulation guided by ventral striatal electrophysiology of obsession durably ameliorates compulsion,” Neuron, vol. 112, no. 1, pp. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.

5. “Neuralink on 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 (Formerly Twitter). https://x.com/neuralink/status/1836118060308271306?ref_src=twsrc%5Egoogle%7Ctwcamp%5Eserp%7Ctwgr%5Etweet

6. M. Ptito, M. Bleau, I. Djerourou, S. Paré, F. C. Schneider, and D.-R. Chebat, “Brain-Machine interfaces to assist the blind,” Frontiers in Human Neuroscience, vol. 15, Feb. 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.

7. P. Mitchell et al., “Assessment of safety of a fully implanted endovascular Brain-Computer interface for severe paralysis in 4 patients,” JAMA Neurology, vol. 80, no. 3, p. 270, Mar. 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.

8. Q. He et al., “The brain nebula: minimally invasive brain–computer interface by endovascular neural recording and stimulation,” Journal of NeuroInterventional Surgery, p. jnis-021296, Feb. 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.

9. R. P. N. Rao, “Semi-Invasive BCIs,” in Cambridge University Press eBooks, 2013, pp. 149–176. doi: 10.1017/cbo9781139032803.012.

10. J. Sabio, N. S. Williams, G. M. McArthur, and N. A. Badcock, “A scoping review on the use of consumer-grade EEG devices for research,” bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), Dec. 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.

11. D. Pawuś and S. Paszkiel, “BCI wheelchair control using expert system classifying EEG signals based on power spectrum estimation and nervous tics detection,” Applied Sciences, vol. 12, no. 20, p. 10385, Oct. 2022, doi: 10.3390/app122010385.