راهنمایی برای دستگاه‌های رابط مغز و کامپیوتر

به لطف پروژه‌های برجسته‌ای مانند رابط مغز و رایانه (BCI) ایلان ماسک (Neuralink)، این رابط‌ها در سال‌های اخیر توجه جهانی را جلب کرده‌اند. اما شاید شگفت‌زده شوید که بدانید فناوری BCI برای بیش از چهار دهه وجود داشته و برای ایجاد پروژه‌های 'کنترل‌شده با ذهن' خود نیازی به جراحی ندارید.

EMOTIV در سال ۲۰۱۱ آغاز به کار کرد و اولین هدست EEG بی‌سیم خود را به عنوان دستگاه انقلابی BCI بازی‌های ویدئویی معرفی کرد. از آن زمان، فناوری به طور قابل‌توجهی همراه با الگوریتم‌های یادگیری ماشین و بهبود سنسورهای موج مغزی پیشرفت کرده است. امروز، علاقه‌مندان به BCI همچنان به EMOTIV برای نیازهای پروژه رابط مغز و رایانه خود مراجعه می‌کنند.

چه یک مبتدی باشید و چه یک حرفه‌ای باتجربه، دنیای BCI فرصت‌های مهیج برای نوآوری و کشف ارائه می‌دهد. اینجا یک راهنما برای دستگاه‌های رابط مغز و رایانه وجود دارد که به شما درک و دسترسی به این دنیای جالب را کمک می‌کند.

فهم فناوری رابط مغز و رایانه

فناوری رابط مغز و رایانه (BCI) امکان ارتباط مستقیم بین مغز و دستگاه‌های خارجی را فراهم می‌کند. از نظر تکنولوژیکی، هر دستگاهی که سیگنال‌های مغز را می‌خواند BCI محسوب می‌شود. اخیراً، این اصطلاح به‌طور عمده برای توضیح BCIs که به شما امکان 'کنترل-ذهنی' دستگاه‌ها را می‌دهند، استفاده شده است. همان فناوری که به فهم فعالیت‌های مغزی کمک می‌کند، می‌تواند سیگنال‌های مغزی را به فرمان‌ها برای وظایف مختلف ترجمه کند، از جمله کنترل یک نشانگر کامپیوتر، حرکت اعضای پروتزی و ایجاد تجربیات بازی تعاملی. فناوری BCI امیدوارکننده‌های جدیدی به افرادی که نتوانند از اعضای خود استفاده کنند، علاوه بر بهبود کننده‌های مبتلا و علاقه‌مندان به‌همه جا ارائه می‌دهد.

از آنجا که 'BCI' به یک کلمه پر جنب و جوش در جهان اطراف ما تبدیل شده است، بسیار مهم است که بین انواع دستگاه‌های رابط مغز و رایانه تفاوت قائل‌شده تا گیج نشویم و مصرف‌کنندگان و نهادها بتوانند دستگاه BCI مناسبی را برای خود انتخاب کنند.

دستگاه‌های BCI: جراحی در مقابل هدست

در حال حاضر دو نوع مجزا از دستگاه‌های رابط مغز و رایانه وجود دارد؛ آن‌هایی که وارد مغز می‌شوند و آن‌هایی که سیگنال‌های مغزی از پوست سر می‌خوانند (شکل 1). در اینجا تفاوت‌ها است.

شکل 1. طبقه‌بندی فناوری‌های اکتساب سیگنال BCI. (الف) نمودار طبقه‌بندی بُعد جراحی را نشان می‌دهد که شامل سه سطح است: غیرتهاجمی، حداقل-تهاجمی، و تهاجمی. (ب) نمودار طبقه‌بندی بُعد شناسایی را نشان می‌دهد که شامل سه سطح است: غیر-کاشتی، مداخله‌ای، و کاشتی. [1]

درون‌جمجمه‌ای (تهاجمی)

الکتروانسفالوگرافی درون‌جمجمه‌ای (iEEG) الکترودها را مستقیماً داخل سر فرد می‌کند. این به پزشکان امکان دریافت سیگنال الکترونیکی واضح برای تحقیقات، شناسایی و درمان را می‌دهد. ایمپلنت‌های مغزی می‌توانند داده بخوانند، مغز را تحریک کنند یا هر دو. کاربردها شامل اما محدود به ارزیابی تشنج‌های صرعی [2]، درمان بیماری های روانی [3]، عبور از فلج، قابلیت‌های تبدیل‌فکر-به-متن یا صحبت (شکل 2) و حتی بازیابی بینایی [4][5].

آژانس مرکزی غذا و داروی ایالات متحده (FDA) دستگاه‌های BCI کاشته‌شده را به عنوان 'پروتزشناسی‌هایی که با سیستم عصبی مرکزی یا محیطی در تعامل هستند تا عملکردهای حرکتی یا حسی از دست رفته در بیماران فلج‌شده یا قطع عضو را بازیابی کنند.' [6]

شکل 2. کیسی هارل، که از ALS رنج می‌برد، با کمک یک ایمپلنت BCI دوباره صحبت می‌کند که از طریق BrainGate آزمایش بالینی انجام شده است. (Credit: UC Regents)

درون‌جمجمه‌ای (حداقل-تهاجمی)

محققان روش‌های کمتر تهاجمی‌ای برای خواندن مستقیم اطلاعات از مغز بررسی کرده‌اند. یک روش عبارت است از endovascular (شکل 3)، ارسال الکترودها به مغز از طریق یک استنت از طریق عروق خونی [7][8].

روش دیگری به نام electrocorticographic (ECoG) است که نیاز به قرار دادن جراحی الکترود‌ها زیر جمجمه دارد، یا زیر دورا ماتر (subdural ECoG) یا خارج از دورا ماتر (epidural ECoG). این پروسه تهاجمی است اما کمتر از ایمپلنت‌های سنتی BCI [9].

شکل 3. A، طرح دستگاه کاملاً کاشته‌شده رابط مغز و رایانه (BCI). یک دستگاه با الکترودها در رگ خونی سینوس سهموی بالا کاشته شده (در جا) و به یک واحد گیرنده فرستنده قابل کاشت (IRTU) در جیب زیرجلدی متصل می‌شود. IRTU با یک واحد گیرنده ارسال از راه دور خارجی (ERTU) ارتباط برقرار می‌کند، که سیگنال‌ها را به واحد کنترل سیگنال برای کنترل یک کامپیوتر لپتاپ یا تبلت منتقل می‌کند. B، BCI با رهگیری چشم برای کنترل کامپیوتر. رهگیری چشم برای حرکت دادن نشانگر استفاده می‌شود و BCI برای کلیک استفاده می‌شود. C، BCI بدون رهگیری چشم برای کنترل کامپیوتر. یک اسکنر آیتم‌ها را به ترتیب انتخاب می‌کند و BCI استفاده می‌شود تا یک آیتم را وقتی که هایلایت شد کلیک کند [7].

BCI غیرتهاجمی (هدست‌های EEG)

شکل 4. جان در BCI4Kids، یک برنامه که به کودکان با ناتوانی‌ها کمک می‌کند تا با استفاده از رابط‌های مغز و رایانه با محیط خود تعامل کنند، شرکت می‌کند. شما می‌توانید آثار هنری قدرت ذهن جان را اینجا ببینید.

دستگاه‌های BCI غیرتهاجمی از الکترودها برای خواندن سیگنال‌های الکتریکی از طریق پوست سر فرد استفاده می‌کنند. این فرآیند به‌طور سنتی به یک محیط آزمایشگاهی محدود شده بود، اما ظهور دستگاه‌های EEG بی‌سیم پژوهشی امکان خواندن دقیق امواج مغزی را در هر مکان فراهم کرده است (شکل 4).

در حال حاضر، ده‌ها هدست BCI غیرتهاجمی در بازار وجود دارد—که بسیاری از آن‌ها با یک هدف خاص مانند مانیتورینگ خواب یا تمرکز طراحی شده‌اند. قیمت‌ها ممکن است از چند صد دلار تا صدها هزار متفاوت باشد. EMOTIV گسترده‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین مجموعه دستگاه‌های بی‌سیم BCI را ارائه می‌دهد، که از دو سنسور تا ۳۲ سنسور برای استفاده توسط عصب‌شناسان، دانشجویان، معلمان، نوآوران، بازیکنان، علاقه‌مندان و هنرمندان در سراسر جهان، استفاده می‌شوند.

طبق گزارش سال ۲۰۲۲ مقالات علمی مرور شده به طور گسترده [10]، EMOTIV پر استفاده‌ترین دستگاه EEG مصرف‌کننده برای تحقیقات علمی (۶۷.۶۹٪) است. محققان به EMOTIV اعتماد دارند به خاطر عملکرد علمی معتبر، مقرون به صرفه بودن نسبت به تجهیزات سنتی آزمایشگاه EEG، و تطبیق‌پذیری. همان هدست EMOTIV که در یک آزمایشگاه دانشگاه برای تحقیقات پیشرفتی بر روی مغز انسان استفاده می‌شود، می‌تواند با بخش موسیقی برای یک اجرای BCI به اشتراک گذاشته شود، سپس به بخش روانشناسی برای آموزش عملی داده شود، و با باشگاه BCI دانش آموزی برای مسابقه پهپادهای قدرت ذهن به اشتراک گذاشته شود.

دستگاه‌های BCI EMOTIV

در EMOTIV، ما دستگاه‌های BCI بی‌سیم برای کاربران مبتدی و مجرب ارائه می‌دهیم.

در بالا: یک صندلی چرخدار با استفاده از EMOTIV FLEX به عنوان دستگاه BCI کنترل می‌شود [11].

در بالا: دانش‌آموزی از EPOC X و برد آردوینو برای کنترل یک بازوی رباتیک استفاده می‌کند. (Source: Matt Su)

در بالا: دانش‌آموزی در دانشگاه فلوریدا از دستگاه BCI EMOTIV Insight برای کنترل یک پهپاد استفاده می‌کند. (Source)

شکل 5. گیمر Twitch پرکریاریال با موفقیت از دستگاه مغزپوش EMOTIV MN8 دو کاناله برای کنترل یک بازی Halo با BCI استفاده می‌کند.

شروع پروژه BCI شما

چگونه BCI را استفاده کنم؟

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

1. یک هدف واضح

2. دستگاه اکتساب سیگنال، مانند یک هدست EEG از EMOTIV

3. نرم‌افزار پردازش سیگنال، مانند EmotivBCI.

4. فرمان‌های اختصاصی BCI (برخی تجربه برنامه‌نویسی لازم است)

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

6. یک دستگاه برای دریافت فرمان‌های BCI

انتخاب دستگاه‌های BCI مناسب

انتخاب دستگاه BCI مناسب برای موفقیت پروژه شما بسیار مهم است. در اینجا برخی از فاکتورهای کلیدی باید در نظر گرفته شوند:

سهولت استفاده: به دنبال دستگاهی بگردید که کاربرپسند و آسان برای راه‌اندازی باشد، به ویژه اگر مبتدی هستید. دستگاه‌های BCI EMOTIV در چند دقیقه با سنسورهای 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 حسگر کل مغز هستند اما به‌طور کلی، BCI با سنسورهای بیشتر بهتر عمل می‌کند. بر اساس همین منطق، EMOTIV FLEX از تا ۳۲ سنسور برای حداکثر حسگر مغز استفاده می‌کند، اما کاربران ما معمولاً EPOC X یا Insight را بیش از حد کافی برای پروژه‌ها و تحقیقات BCI خود می‌یابند. دستگاه‌های مغزپوش MN8، در عین حال، برای توسعه برنامه‌های تلفن همراه BCI عالی هستند.

2. مکان‌گذاری سنسور: هنگام انتخاب یک هدست EEG، به مکان قرار گیری سنسور‌ها دقت کنید و این‌که چگونه بر نیازهای شما تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، برخی دستگاه‌های BCI در بازار تنها یک سنسور یا سنسورهای متعدد در پشت سر دارند.

3. سنسورهای تر و خشک: هنگام انتخاب یک دستگاه BCI راحتی و کیفیت سیگنال را در نظر بگیرید، به ویژه اگر می‌خواهید آن را برای مدت طولانی بپوشید. نمکین راحت‌تر از ژل است، سنسورهای نیمه‌خشک آسان‌تر از نمکین استفاده می‌شوند، و سنسورهای خشک برای استفاده راحت‌تر هستند. کیفیت سیگنال دستگاه‌های EMOTIV را مقایسه کنید.

4. سازگاری: دستگاهی را انتخاب کنید که به خوبی با ابزارهای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری موجود شما ادغام می‌شود. اگر می‌خواهید BCI را به یک سیستم موجود (پهپادها، Spotify، اینترنت اشیا و غیره) ادغام کنید، اطمینان حاصل کنید که به SDK، API دسترسی دارید.

5. پشتیبانی: دستگاهی را انتخاب کنید که از یک شرکت با پشتیبانی قوی و جامعه کاربری فعال بیاید. EMOTIV یک پایگاه دانش گسترده و پشتیبانی مشتری ارائه می‌دهد.

6. داده و حریم خصوصی: خصوصی‌بودن عصبی شما مهم است. به همین دلیل از روز اول، EMOTIV داده‌های EEG خود را با در نظر گرفتن حریم خصوصی طراحی کرده است. ببینید که EMOTIV چگونه داده‌های مغز شما را محافظت می‌کند.

نتیجه‌گیری

شروع یک پروژه BCI یک سفر هیجان‌انگیز است که پتانسیل بزرگی برای نوآوری و تأثیرگذاری دارد. چه مبتدی باشید و چه حرفه‌ای تجربه‌دار، EMOTIV ابزارها و پشتیبانی لازم برای موفقیت را فراهم می‌کند. با دستگاه BCI مناسب و یک چشم‌انداز واضح، می‌توانید امکانات جدیدی را باز کنید.

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

به جامعه توسعه‌دهندگان ما بپیوندید

پروژه‌های BCI خود را با ما به اشتراک بگذارید! #EMOTIV در رسانه‌های اجتماعی علامت‌گذاری کنید یا به hello@emotiv.com ایمیل بزنید.

به کمک بیشتری نیاز دارید؟ با ما تماس بگیرید

مراجع

1. Y. Sun et al., “اکتساب سیگنال رابط‌های مغز و رایانه: یک مرور چشم‌انداز پزشکی-مهندسی متقابل,” 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, و F. Rosenow, “تاریخچه ارزیابی EEG تهاجمی در بیماران صرع,” Seizure, vol. 41, pp. 191–195, Apr. 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.

3. مرکز برای دستگاه‌ها و سلامت اشعه رادیویی، “دستگاه‌های کاشت‌ شده رابط مغز و رایانه (BCI) برای بیماران با فلج یا قطع عضو - آزمایشات غیرکلینیکی و ملاحظات کلینیکی,” 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., “تحریک سطح عمیق مغز پاسخ‌گو using electrophysiology of obsession stritali ventral by guided “:سطح عمیق مغز,” Neuron, vol. 112, no. 1, pp. 73-83.e4, Jan. 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.

5. “Neuralink on X: 'در حال حاضر از FDA برای Blindsight طراحی نماینده دستگاه پیشرفت را دریافت کردیم. به ما در تلاشمان برای بازگرداندن بینایی به کسانی که آن را از دست داده‌اند بپیوندید. در صفحه ثبت بیماران ما و فرصت‌های شغلی درخواست دهید https://t.co/abBMTdv7Rh' / X,” X (سابقاً توییتر). https://x.com/neuralink/status/1836118060308271306?ref_src=twsrc%5Egoogle%7Ctwcamp%5Eserp%7Ctwgr%5Etweet

6. M. Pاتوو و S. Paszkiel, “کنترل ویلچر BCI با استفاده از سیستم متخصص طبقه‌بندی سیگنال‌های EEG based upon برآورد طیف قدرت و تشخیص تیک‌های عصبی,” علوم کاربردی, vol. 12, no. 20, p. 10385, Oct. 2022, doi: 10.3390/app122010385.