به لطف پروژه‌های بزرگی همچون نولینکِ (Neuralink) 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 که فناوری BCI بیش از چهار دهه است که وجود دارد و برای ساخت پروژه‌های "تحت کنترل ذهن" خود، به جراحی نیازی ندارید.

مجموعه EMOTIV در سال ۲۰۱۱ شروع به کار کرد و اولین هدست بی‌سیم EEG خود را به عنوان یک دستگاه بازی انقلابی BCI معرفی نمود. از آن زمان به بعد، این فناوری در کنار الگوریتم‌های یادگیری ماشین و سنسورهای 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 یک مبتدی باشید و چه یک حرفه‌ای باسابقه، 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 جذاب کمک کند.

درک فناوری واسط مغز و رایانه

فناوری واسط مغز و رایانه (BCI) امکان ارتباط مستقیم بین مغز و دستگاه‌های خارجی را فراهم می‌سازد. 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 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 پروتزهای حرکتی و ایجاد تجربه‌های بازی تعاملی ترجمه کند. فناوری BCI علاوه بر نوآوران و علاقه‌مندانِ توانمند در هر کجای دنیا، امید جدیدی را برای کسانی که توانایی استفاده از اعضای بدن خود را ندارند، ارائه می‌دهد.

از آنجایی که اصطلاح "BCI" به یک واژه ترند در فرهنگ جامعه تبدیل شده است، تشخیص تفاوت میان انواع دستگاه‌های واسط مغز و رایانه اهمیت دارد تا سردرگمی‌ها برطرف شده و مصرف‌کنندگان و موسسات بتوانند دستگاه BCI مناسب خود را انتخاب نمایند.

دستگاه‌های BCI: جراحی در مقابل هدست

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

شکل ۱. طبقه‌بندی فناوری‌های دریافت سیگنال BCI. بخش (الف) نمودار طبقه‌بندی از بعد جراحی است که شامل سه سطح غیرتهاجمی، کمترین حد تهاجم و تهاجمی است. بخش (ب) نمودار طبقه‌بندی از بعد تشخیص را نشان می‌دهد که سه سطح را در بر می‌گیرد: غیرکاشتنی، مداخله‌ای و کاشتنی. [1]

درون‌جمجمه‌ای (تهاجمی)

الکتروانسفالوگرافی درون‌جمجمه‌ای (iEEG) الکترودها را مستقیماً در داخل سر فرد می‌کارد. این امر به پزشکان اجازه می‌دهد تا سیگنال الکترونیکی واضحی را برای تحقیقات، 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 چون ارزیابی تشنج‌های صرع [2]، درمان بیماری‌های روانی [3]، دور زدن فلج اندام، تبدیل فکر به متن یا فکر به گفتار (شکل ۲) و حتی بازگرداندن بینایی [4][5] می‌شود. 

سازمان غذا و داروی ایالات متحده دستگاه‌های BCI کاشتنی را به عنوان "پروتزهای عصبی تعریف می‌کند که با سیستم عصبی مرکزی یا محیطی در ارتباط هستند تا توانایی‌های حرکتی و/یا حسی از دست رفته را در بیماران مبتلا به فلج یا قطع عضو بازیابی کنند" [6].

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

درون‌جمجمه‌ای (با حداقل تهاجم)

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

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

شکل ۳. A، طرحواره واسط مغز و رایانه (BCI) به طور کامل کاشته شده. دستگاهی به همراه الکترودها در رگ خونی سینوس ساژیتال فوقانی کاشته شده (شکل کوچک‌تر) و به یک واحد فرستنده گیرنده کاشتنی (IRTU) در بافت زیرپوستی متصل می‌شود. واحد IRTU با یک واحد تله‌متری گیرنده خارجی (ERTU) ارتباط برقرار می‌کند که سیگنال‌ها را به یک واحد کنترل سیگنال جهت کنترل لپ‌تاپ یا تبلت ارسال می‌نماید. B، استفاده از BCI همراه با ردیاب چشم برای کنترل رایانه. از ردیابی چشم برای حرکت دادن مکان‌نما و از BCI برای کلیک کردن استفاده می‌شود. C، استفاده از BCI بدون ردیاب چشم برای کنترل رایانه. یک اسکنر، موارد را به ترتیب هایلایت می‌کند و از BCI برای کلیک روی مورد در زمان هایلایت شدن استفاده می‌شود [7].

دستگاه BCI غیرتهاجمی (هدست‌های EEG)

 شکل ۴. جان در برنامه 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 خلق شده توسط نیروی ذهن جان را در اینجا مشاهده کنید.

دستگاه‌های غیرتهاجمی BCI از الکترودها برای خواندن سیگنال‌های الکتریکی از طریق پوست سر فرد استفاده می‌کنند. این فرآیند در گذشته به محیط‌های آزمایشگاهی محدود بود، اما ظهور دستگاه‌های بی‌سیم EEG با درجه تحقیقاتی، امکان خواندن دقیق امواج مغزی را در هر مکان 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 همه‌کاره‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین طیف دستگاه‌های بی‌سیم BCI را ارائه می‌دهد که از دو سنسور تا ۳۲ سنسور متغیر است و توسط عصب‌پژوهان، دانشجویان، مربیان، نوآوران، گیمرها، علاقه‌مندان و هنرمندان در سراسر جهان استفاده می‌شود. 

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

دستگاه‌های EMOTIV BCI

ما در EMOTIV، دستگاه‌های بی‌سیم BCI را برای کاربران مبتدی و باسابقه به طور همزمان ارائه می‌دهیم.

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: دانشجویی در دانشگاه فلوریدا از یک دستگاه EMOTIV Insight BCI برای کنترل پهپاد استفاده می‌کند. (منبع)

شکل ۵. Perrikaryal، استریمر بازی در 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 شما

چگونه از BCI استفاده کنم؟

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

1. یک هدف مشخص

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

3. نرم‌افزار پردازش سیگنال، مانند EmotivBCI.

4. دستورات تخصیص داده شده BCI (به 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 حیاتی است. در اینجا برخی نکات 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 سنسورهای خشک، نیمه‌خشک و نمکی راه‌اندازی می‌شوند.

1. کارایی: مطمئن شوید که دستگاه ویژگی‌ها و قابلیت‌های مورد نیاز برای پروژه خاص شما را ارائه می‌دهد. هدست‌های EMOTIV کل مغز را اسکن می‌کنند اما به عنوان یک قاعده کلی، BCI با سنسورهای بیشتر عملکرد بهتری دارد. با این منطق، EMOTIV FLEX از حداکثر ۳۲ سنسور برای حداکثر سنجش مغز بهره می‌برد، اما کاربران ما معمولاً متوجه می‌شوند که EPOC X یا Insight برای پروژه‌ها و تحقیقات BCI آن‌ها کاملاً کافی است. از طرف دیگر، گجت‌های پوشیدنی مغز MN8 برای توسعه اپلیکیشن‌های موبایل BCI عالی هستند.

2. محل قرارگیری سنسور: هنگام انتخاب هدست EEG، بررسی کنید که سنسورها در کجا قرار دارند و این امر چه تاثیری بر نیازهای شما می‌گذارد. به عنوان مثال، برخی از دستگاه‌های BCI موجود در بازار تنها یک سنسور یا چندین سنسور دارند که فقط در پشت سر قرار گرفته‌اند. 

3. سنسورهای مرطوب در مقابل خشک: هنگام انتخاب دستگاه BCI، راحتی و کیفیت سیگنال را در نظر بگیرید، به خصوص اگر قصد دارید آن را برای مدت طولانی بپوشید. سنسورهای نمکی راحت‌تر از ژلی هستند، سنسورهای نیمه‌خشک استفاده آسان‌تری نسبت به نمکی دارند و سنسورهای خشک راحت‌ترین گزینه برای استفاده هستند. کیفیت سیگنال دستگاه‌های Emotiv را با هم مقایسه کنید.

4. سازگاری: دستگاهی را انتخاب کنید که به خوبی با نرم‌افزارها و ابزارهای سخت‌افزاری فعلی شما سازگار شود. اگر می‌خواهید BCI را در 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 پویایی دارد. EMOTIV بخش بزرگی از پایگاه دانش و پشتیبانی مشتریان را ارائه می‌دهد.

6. داده‌ها و حریم خصوصی: حریم خصوصی عصبی شما اهمیت دارد. به همین دلیل است که از روز اول، EMOTIV فرآیند 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 مسیری هیجان‌انگیز است که پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای نوآوری و تاثیرگذاری به همراه دارد. چه مبتدی باشید و چه حرفه‌ای مجرب، Emotiv ابزارها و پشتیبانی لازم برای موفقیت را در اختیار شما قرار می‌دهد. با دستگاه BCI مناسب و دیدگاهی روشن، می‌توانید پتانسیل‌های جدیدی را شکوفا کنید.

همین امروز دستگاه‌ها و منابع BCI مجموعه Emotiv را بررسی کنید تا کار روی پروژه خود را آغاز نمایید. به جامعه نوآوران و محققانی بپیوندید که با فناوری BCI آینده تعامل انسان و فناوری را شکل می‌دهند.

به جامعه توسعه‌دهندگان ما بپیوندید

پروژه‌های BCI خود را با ما به اشتراک بگذارید! تگ #Emotiv را در شبکه‌های اجتماعی بزنید یا به hello@emotiv.com ایمیل بفرستید.

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 Amputation - 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.