מדריך לממשקי מוח-מחשב

תודות לפרויקטים בעלי פרופיל גבוה כמו Neuralink של אילון מאסק, ממשקים מוח-מחשב (BCI) זכו לתשומת לב עולמית בשנים האחרונות. ייתכן שתתפלאו לגלות, עם זאת, שטכנולוגיית BCI קיימת יותר מארבעה עשורים ושאינכם צריכים ניתוח כדי ליצור פרויקטים "נשלטי-מחשבה" משלכם.

EMOTIV הופיעה לראשונה בשנת 2011, והציגה את ערכת ה-EEG האלחוטית הראשונה שלה כמכשיר BCI מהפכני למשחקים. מאז, הטכנולוגיה התקדמה באופן משמעותי לצד אלגוריתמים של למידת מכונה וחיישני גלי מוח משופרים. כיום, חובבי BCI עדיין פונים ל-EMOTIV כדי לספק את צרכי פרויקט הממשק מחשב-מוח שלהם.

בין אם אתם מתחילים או מקצוענים מנוסים, עולם ה-BCI מציע אפשרויות מרגשות לחדשנות וגילוי. הנה מדריך למכשירי ממשק מוח-מחשב שיעזור לכם להבין ולגשת לעולם המרתק הזה.

הבנת טכנולוגיית ממשק מוח-מחשב

טכנולוגיית ממשק מוח-מחשב (BCI) מאפשרת תקשורת ישירה בין המוח למכשירים חיצוניים. טכנית, כל מכשיר שקורא אותות מוח הוא BCI. לאחרונה, המונח משמש בעיקר לתיאור BCIs שמאפשרים לשלוט במכשירים בעזרת המוח. אותה טכנולוגיה שמסייעת בהבנת תפקוד המוח יכולה לתרגם אותות מוח לפקודות עבור משימות שונות, כולל שליטה בסמן המחשב, הנעת גפיים תותבות ויצירת חוויות משחק אינטראקטיביות. טכנולוגיית BCI מציעה תקווה חדשה לאלה ללא שימוש בגפיים, בנוסף לחדשנים ותחביבים מיומנים בכל מקום.

מכיוון ש"BCI" הפך למונח נפוץ בזייטגייסט, חשוב להבחין בין סוגי מכשירי BCI על מנת להקל על הבלבול ולאפשר לצרכנים ולמוסדות לבחור את מכשיר ה-BCI הנכון עבורם.

מכשירי BCI: ניתוח מול אוזנייה

כיום קיימים שני סוגים נבדלים של מכשירי ממשק מוח-מחשב; אלה המושתלים במוח ואלה הקוראים אותות מוח מהקרקפת (איור 1). הנה ההבדלים.

איור 1. סיווג טכנולוגיות רכישת אותות BCI. (a) הוא דיאגרמת סיווג של מימד הניתוח, המשלב שלוש רמות: לא פולשני, פולשני מינימלי ופולשני. (b) מציג את דיאגרמת הסיווג של מימד הזיהוי, אשר כולל שלוש רמות: ללא השתלה, התערבות והשתלה. [1]

תוך-גולגולתי (פולשני)

אלקטרואנצפלוגרפיה תוך-גולגולתית (iEEG) משתילה אלקטרודות ישירות בתוך ראש האדם. זה מאפשר לרופאים לקבל אותות אלקטרוניים ברורים למחקר, זיהוי וטיפול. שתלי מוח יכולים לקרוא נתונים, לסטים את המוח או לעשות את שניהם. שימושים כוללים אך לא מוגבלים ל, הערכת התקפים אפילפטיים [2], טיפול במחלות נפשיות [3], מעקף פרפלגיה, הפעלה מילה לטקסט או מילה לדיבור (איור 2) ואפילו שחזור ראייה [4][5].

מנהלת המזון והתרופות בארצות הברית מגדירה מכשירים מושתלים של BCI כ"נירופרוסטטיות המתחברות למערכת העצבים המרכזית או ההיקפית כדי לשחזר יכולות מוטוריות ו/או חישתיות שאבדו לחולים עם שיתוק או קטיעה" [6].

איור 2. קייסי הרל, הסובלת מ-ALS, מדברת שוב בעזרת שתל BCI דרך הניסוי הקליני BrainGate. (קרדיט: UC Regents)

תוך-גולגולתי (פולשני מינימלי)

חוקרים ניסו שיטות פחות פולשניות לקריאת מידע ישיר מהמוח. שיטה אחת היא אנדווסקולרית (איור 3), לשלוח אלקטרודות למוח באמצעות סטנט דרך כלי הדם [7][8].

שיטה נוספת נקראת אלקטרוקורטיקוגרפיה (ECoG), אשר דורשת השתלת אלקטרודות מתחת לגולגולת, או מתחת לחומר הדורי (פחות דרמטית) או מחוץ לחומר הדורי (יותר דרמטית). ההליך פולשני אך פחות כך מאשר שתלי BCI מסורתי [9].

איור 3. א, סכמה של הממשק מוח-מחשב (BCI) מושתל במלואו. מכשיר עם אלקטרודות מושתל בכלי הדם האופטיקלי העליון (תמונה מוגדלת) והתחברות ליחידת מקלט ומשדר נשתלת בפטה לעור. על היחידה להתחבר לקבל חיצוני טלמטרי יחידת מקלט, אשר מעבירה אותות ליחידת שליטה לאות לשם שליטה במחשב נייד או בטאבלט. ב, BCI עם עוקב עין לצורך שליטה במחשב. מעקב עין משומש כדי להזיז את הסמן, ו-BCI משומש ללחוץ. ג, BCI ללא עוקב עין לצורך שליטה במחשב. סורק חפצים מדגיש חפצים ברצף, וה-BCI משומש ללחוץ על חפץ כשהוא מודגש [7].

לא פולשני BCI (אוזניות EEG)

איור 4. ג'ון משתתף ב-BCI4Kids, תוכנית המסייעת לילדים עם מוגבלויות לתקשר עם סביבתם באמצעות ממשקי מוח-מחשב. אפשר לראות את יצירות האמנות המוחיות של ג'ון כאן.

מכשירי BCI לא פולשניים משתמשים באלקטרודות לקריאת אותות חשמליים דרך הקרקפת של האדם. תהליך זה מוגבל באופן מסורתי להגדרות מעבדה, אך הכניסה של מכשירי EEG אלחוטיים ואקדמיים איפשרה קריאות מדויקות של גלי מוח בכל מקום (איור 4).

כיום קיימות עשרות אוזניות BCI לא פולשניות בשוק, רבות מהן מיועדות למטרה אחת כמו ניטור שינה או פוקוס. מחירים עשויים להשתנות מכמה מאות דולרים לכמה מאות אלפי דולרים. EMOTIV מציעה את מגוון המכשירים האלחוטיים המסוגלים והמשתלמים ביותר, מ-2 חיישנים ועד 32, הנמצאים בשימוש על ידי נוירולוגים, סטודנטים, אנשי חינוך, מחדשים, גיימרים, תחביבנים ואמנים ברחבי העולם.

לפי סקירה מ-2022 של מאמרים שנערכו על ידי עמיתים [10], EMOTIV הוא המכשיר EEG הצרכני השימושי ביותר (67.69%) למחקר מדעי. חוקרים מאמינים ב-EMOTIV בזכות ביצועים מאושרים מדעית, נוחות יחסית לציוד EEG מעבדי מסורתי, וגמישות. אותה אוזניות EMOTIV המשמשת במעבדה אוניברסיטה כדי לבצע מחקר פורץ על המוח האנושי יכולה להיות משותפת עם מחלקת המוזיקה לביצוע BCI, ולאחר מכן להעביר למחלקה לפסיכולוגיה לצורך למידה מעשית, ולשתף עם מועדון סטודנטים BCI כדי להתחרות במרוצי רחפנים מונעי מוח.

מכשירי BCI של EMOTIV

ב-EMOTIV, יש לנו מכשירי BCI אלחוטיים למתחילים ולמשתמשים מנוסים כאחד.

לעיל: כיסא גלגלים נשלט באמצעות EMOTIV FLEX כמכשיר BCI [11].

לעיל: סטודנט משתמש ב-EPOC X ובכרטיס Arduino לשליטה בזרוע רובוטית. (מקור: Matt Su)

לעיל: סטודנט באוניברסיטת פלורידה לובש מכשיר BCI של EMOTIV Insight לשליטה ברחפן. (מקור)

איור 5. הגיימר של Twitch, Perrikaryal, מצליח להשתמש בלבישת מוח-מחשב EMOTIV MN8 עם 2 ערוצים כדי לשלוט במשחק של Halo עם BCI.

מתחילים בפרויקט ה-BCI שלכם

איך משתמשים ב-BCI?

אתם זקוקים לחמישה אלמנטים בסיסיים כדי להתחיל בפרויקט ה-BCI שלכם.

1. מטרה ברורה

2. מכשיר רכישת אותות, כגון אוזנית EEG מ-EMOTIV

3. תוכנת עיבוד אותות, כגון EmotivBCI.

4. פקודות BCI שהוקצו (נדרש ניסיון בתכנות)

5. גישה למכשיר שברצונכם לשלוט עליו באמצעות ערכת SDK, כרטיס Arduino וכדומה.

6. מכשיר לקבלת פקודות BCI

בחירת מכשירי BCI הנכונים

בחירת המכשיר הנכון ל-BCI היא קריטית להצלחת הפרויקט שלכם. הנה כמה שיקולים מרכזיים:

קלות שימוש: חפשו מכשיר ידידותי למשתמש וקל להגדרה, במיוחד אם אתם מתחילים. מכשירי BCI של EMOTIV מוגדרים תוך דקות עם חיישנים יבשים, חצי-יבשים וחומרי מלח.

1. פונקציונליות: ודאו שהמכשיר מציע את הפיצ'רים והיכולות הנחוצים לפרויקט הספציפי שלכם. אוזניות EMOTIV כוללות חיישנים מוחיים, אך ככלל, BCI עובד טוב יותר עם יותר חיישנים. על פי עקרון זה, EMOTIV FLEX משתמשת עד 32 חיישנים לצורך חייש הראייה מקסימלי, אך המשתמשים שלנו נוטים למצוא את EPOC X או Insight מספיקים יותר עבור פרויקטים ומחקרים שלהם בעזרת BCI. מכשירי MN8 לבישים הם מצוינים לפיתוח אפליקציות BCI ניידת.

2. מיקום חיישנים:בבחירת אוזניות EEG, שקלו היכן ממוקמים החיישנים ואיך זה משפיע על הצרכים שלכם. לדוגמה, חלק ממכשירי BCI בשוק כוללים חיישן אחד בלבד או מספר חיישנים ממוקמים רק על עורף הראש. 

3. חיישנים רטובים מול יבשים: שקלו נוחות ואיכות אותות בבחירת מכשיר BCI, במיוחד אם אתם מתכוונים ללבוש אותו לפרקי זמן ממושכים. חומרי מלח הם נוחים יותר מהחומר ג'ל, חיישנים חצי-יבשים קלים יותר לשימוש מאשר חומרי מלח, וחיישנים יבשים הם הנוחים ביותר לשימוש. תשוו את איכות האותות של מכשירי EMOTIV.

4. תאימות: בחרו מכשיר שמשתלב טוב עם כלי התוכנה והחומרה הקיימים שלכם. אם תרצו לשלב BCI במערכת קיימת (רחפנים, ספוטיפיי, אינטרנט של הדברים וכו'), ודאו שיש לכם גישה ל-SDK, API.

5. תמיכה: בחרו מכשיר מחברה שמציעה תמיכה חזקה ויש לה קהילה פעילה. EMOTIV מציעה בנק ידע נרחב ותמיכת לקוחות.

6. נתונים ופרטיות: פרטיות העצבים שלכם חשובה. זו הסיבה שמהיום הראשון, EMOTIV מעצבת את איסוף המידע של ה-EEG שלה עם פרטיות בראש. ראו כיצד EMOTIV מגנה על הנתונים המוחיים שלכם.

סיכום

התחלת פרויקט BCI היא מסע מרגש שמציע פוטנציאל עצום לחדשנות והשפעה. בין אם אתם מתחילים או מקצוענים מנוסים, EMOTIV מספקת את הכלים והתמיכה שאתם צריכים להצלחה. עם מכשיר BCI נכון וחזון ברור, תוכלו לפתוח פתח לאפשרויות חדשות.

גלו את מכשירי ה-BCI והמשאבים של EMOTIV היום כדי להתחיל לעבוד על הפרויקט BCI שלכם. הצטרפו לקהילת המחדשים והחוקרים שמעצבים את עתיד האינטראקציה בין אדם לטכנולוגיה בעזרת טכנולוגיית BCI.

הצטרפו לקהילת המפתחים שלנו

שתף איתנו את פרויקטי ה-BCI שלכם! תייגו #EMOTIV ברשתות החברתיות או שלחו מייל hello@emotiv.com.

זקוקים לעזרה נוספת? צרו קשר איתנו

מקורות

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.