일론 머스크의 뉴럴링크(Neuralink)와 같이 세간의 이목을 끄는 프로젝트 덕분에 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 최근 몇 년 동안 전 세계적인 관심을 끌었습니다. 하지만 BCI 기술이 등장한 지 40년이 넘었으며, 자신만의 "생각으로 제어하는" 프로젝트를 만들기 위해 수술이 필요하지 않다는 사실을 알면 놀라실 수도 있습니다.

Emotiv는 2011년에 출시되어 역사적인 BCI 게이밍 기기로서 최초의 무선 EEG 헤드셋을 선보였습니다. 그 이후로 머신러닝 알고리즘 및 향상된 뇌파 센서와 함께 해당 기술은 크게 발전했습니다. 오늘날에도 BCI 애호가들은 뇌-컴퓨터 인터페이스 프로젝트를 위해 Emotiv를 찾고 있습니다.

초보자이든 숙련된 전문가이든, BCI의 세계는 혁신과 발견을 위한 흥미진진한 기회를 제공합니다. 이 매혹적인 세계를 이해하고 접하는 데 도움이 되는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기기 가이드를 소개합니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 기술의 이해

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 뇌와 외부 기기 간의 직접적인 통신을 가능하게 합니다. 엄밀히 말하면 뇌 신호를 읽는 모든 기기가 BCI입니다. 최근에는 주로 기기를 "생각으로 제어"할 수 있도록 해주는 BCI를 설명하는 데 이 용어가 사용됩니다. 뇌 기능을 이해하는 데 도움을 주는 것과 동일한 기술이 컴퓨터 커서 제어, 의수족 움직이기, 대화형 게이밍 경험 만들기 등 다양한 작업을 위한 명령으로 뇌 신호를 변환할 수 있습니다. BCI 기술은 비장애인 혁신가와 전 세계의 취미 개발자뿐만 아니라 사지를 사용할 수 없는 이들에게 새로운 희망을 제시하고 있습니다.

"BCI"가 시대정신의 유행어가 되었기 때문에, 혼란을 줄이고 소비자와 기관이 자신에게 맞는 BCI 기기를 선택할 수 있도록 뇌-컴퓨터 인터페이스 기기 유형을 구분하는 것이 중요합니다.

BCI 기기: 수술 대 헤드셋

현재 뇌-컴퓨터 인터페이스 기기에는 뇌에 이식하는 유형과 두피에서 뇌 신호를 읽는 유형 두 가지가 있습니다(그림 1). 차이점은 다음과 같습니다.

그림 1. BCI 신호 획득 기술의 분류. (a)는 비침습적, 최소 침습적, 침습적의 세 가지 수준을 포함하는 수술 차원의 분류 도식입니다. (b)는 비이식, 중재, 이식의 세 가지 수준을 포함하는 검출 차원의 분류 도식입니다. [1]

두개내 (침습적)

두개내 뇌전도(iEEG)는 환자의 머릿속에 전극을 직접 이식합니다. 이를 통해 의사는 연구, 감지 및 치료를 위한 명확한 전자 신호를 얻을 수 있습니다. 뇌 이식 장치는 데이터를 읽거나, 뇌를 자극하거나, 두 가지 모두를 수행할 수 있습니다. 용도로는 간질 발작 평가 [2], 정신 질환 치료 [3], 마비 우회, 생각-텍스트 변환 또는 생각-음성 변환(그림 2), 심지어 시력 회복 [4][5] 등이 있지만 이에 국한되지 않습니다.

미국 식품의약국(FDA)은 이식형 BCI 기기를 "마비 또는 절단 환자의 상실된 운동 및/또는 감각 능력을 회복하기 위해 중추 또는 말초 신경계와 인터페이스하는 신경 보조기"로 정의합니다 [6].

그림 2. ALS(루게릭병)를 앓고 있는 케이시 하렐(Casey Harrell)이 BrainGate 임상시험을 통해 BCI 이식 장치의 도움을 받아 다시 말을 하고 있습니다. (출처: UC Regents)

두개내 (최소 침습적)

연구원들은 뇌에서 직접적인 정보를 읽는 덜 침습적인 방법을 실험해 왔습니다. 한 가지 방법은 혈관을 통해 스텐트를 뇌로 보내 전극을 전달하는 혈관내 방법(그림 3)입니다 [7][8].

또 다른 방법은 피질전도(ECoG)라고 불리는 방법으로, 경막 아래(경막하 ECoG) 또는 경막 바깥(경막외 ECoG) 중 외과적으로 두개골 아래에 전극을 배치해야 합니다. 이 시술은 침습적이지만 기존의 BCI 이식보다는 덜 친습적입니다 [9].

그림 3. A, 완전히 이식된 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 개략도. 전극이 장착된 기기가 상시상정맥동 혈관(삽입그림)에 이식되고 피하 포켓의 이식형 수신 송신기 유닛(IRTU)에 연결됩니다. IRTU는 외부 수신 텔레메트리 유닛(ERTU)과 통신하며, ERTU는 노트북 컴퓨터 또는 태블릿을 제어하기 위한 신호 제어 유닛으로 신호를 전달합니다. B, 컴퓨터 제어를 위한 아이 트래커가 장착된 BCI. 아이 트래킹은 커서를 이동하는 데 사용되고 BCI는 클릭하는 데 사용됩니다. C, 컴퓨터 제어를 위한 아이 트래킹이 없는 BCI. 아이템 스캐너가 순서대로 아이템을 강조 표시하고, BCI는 아이템이 강조 표시될 때 클릭하는 데 사용됩니다 [7].

비침습적 BCI (EEG 헤드셋)

그림 4. 존이 장애 아동이 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 환경과 상호 작용할 수 있도록 돕는 프로그램인 BCI4Kids에 참여하고 있습니다. 존의 뇌파 동력 예술 작품은 여기에서 볼 수 있습니다.

비침습적 BCI 기기는 전극을 사용하여 사람의 두피를 통해 전기 신호를 읽습니다. 이 과정은 전통적으로 실험실 환경으로 제한되어 왔지만, 무선 연구 등급 EEG 기기의 등장으로 어디서나 정확한 뇌파 판독이 가능해졌습니다(그림 4).

현재 시장에는 수십 개의 비침습적 BCI 헤드셋이 출시되어 있으며, 이 중 다수는 수면 또는 집중력 모니터링과 같이 한 가지 목적을 염두에 두고 설계되었습니다. 가격은 수백 달러에서 수십만 달러까지 다양할 수 있습니다. Emotiv는 전 세계의 신경학자, 학생, 교육자, 혁신가, 게이머, 취미 개발자 및 예술가들이 사용하는 2개의 센서부터 32개에 이르는 가장 다재다능하고 저렴한 무선 BCI 기기 라인업을 제공합니다.

동료 검토를 거친 논문에 대한 2022년 감사[10]에 따르면, Emotiv는 과학 연구에 가장 많이 사용되는 소비자용 EEG 기기(67.69%)입니다. 연구원들은 과학적으로 입증된 성능, 기존 EEG 실험실 장비에 비해 저렴한 가격, 다용도성 때문에 Emotiv를 신뢰합니다. 대학 실험실에서 인간의 뇌에 대한 획기적인 연구를 수행하는 데 사용하는 동일한 Emotiv 헤드셋을 음악 과학부와 공유하여 BCI 공연을 진행하고, 심리학과로 전달하여 실습 학습을 진행하며, 학생 BCI 클럽과 공유하여 뇌파 동력 드론 경주를 할 수 있습니다.

Emotiv BCI 기기

Emotiv는 초보자와 숙련된 사용자 모두를 위한 무선 BCI 기기를 보유하고 있습니다.

위: Emotiv Flex를 BCI 기기로 사용하여 제어되는 휠체어 [11].

위: 한 학생이 Epoc X와 아두이노(Arduino) 보드를 사용하여 로봇 팔을 제어하고 있습니다. (출처: Matt Su)

위: 플로리다 대학교의 한 학생이 Emotiv Insight BCI 기기를 착용하고 드론을 제어하고 있습니다. (출처)

그림 5. 트위치 게이머 Perrikaryal이 2채널 Emotiv MN8 웨어러블 뇌 기기를 성공적으로 사용하여 BCI로 헤일로(Halo) 게임을 제어하고 있습니다.

BCI 프로젝트 시작하기

BCI는 어떻게 사용하나요?

BCI 프로젝트를 시작하려면 5가지 기본 요소가 필요합니다.

1. 명확한 목표

2. Emotiv의 EEG 헤드셋과 같은 신호 획득 기기

3. EmotivBCI와 같은 신호 처리 소프트웨어

4. 할당된 BCI 명령(어느 정도의 코딩 경험 필요)

5. SDK, 아두이노 보드 등을 통해 제어하려는 기기에 대한 액세스

6. BCI 명령을 수신할 기기

적절한 BCI 기기 선택하기

적절한 BCI 기기를 선택하는 것은 프로젝트의 성공에 매우 중요합니다. 고려해야 할 몇 가지 중요한 사항은 다음과 같습니다.

사용 편의성: 특히 초보자인 경우 사용자 친화적이고 설정하기 쉬운 기기를 찾으십시오. Emotiv BCI 기기는 건식, 반건식 및 식염수 센서를 사용하여 몇 분 만에 설정할 수 있습니다.

1. 기능성: 기기가 특정 프로젝트에 필요한 기능과 성능을 제공하는지 확인하십시오. Emotiv 헤드셋은 전체 뇌 영역을 감지하지만 일반적인 규칙으로 BCI는 센서가 많을수록 더 잘 작동합니다. 그러한 논리에 따라 Emotiv Flex는 최대 32개의 센서를 사용하여 최대의 뇌 감지를 수행하지만, 당사의 사용자들은 Epoc X 또는 Insight가 BCI 프로젝트 및 연구에 충분히 적절하다고 느끼는 경향이 있습니다. 반면 MN8 웨어러블 뇌 기기는 BCI 모바일 앱 개발에 적합합니다.

2. 센서 배치: EEG 헤드셋을 선택할 때 센서의 위치와 그것이 필수 요구 사항에 미치는 영향을 고려하십시오. 예를 들어, 시장에 나와 있는 일부 BCI 기기는 센서가 하나뿐이거나 여러 센서가 머리 뒤쪽에만 위치합니다.

3. 습식 센서 대 건식 센서: 특히 장시간 착용하려는 경우 BCI 기기를 선택할 때 편안함과 신호 품질을 고려하십시오. 식염수가 겔보다 더 편안하고, 반건식 센서가 식염수보다 사용하기 쉬우며, 건식 센서가 사용하기에 가장 편리합니다. Emotiv 기기의 신호 품질 비교.

4. 호환성: 기존 소프트웨어 및 하드웨어 도구와 원활하게 통합되는 기기를 선택하십시오. BCI를 기존 시스템(드론, 스포티파이, 사물인터넷 등)에 통합하려는 경우 SDK, API 액세스 권한이 있는지 확인하십시오.

5. 지원: 강력한 지원을 제공하고 활성화된 사용자 커뮤니티가 있는 회사의 기기를 선택하십시오. Emotiv는 광범위한 지식 베이스(Knowledge Base) 및 고객 지원을 제공합니다.

6. 데이터와 개인정보 보호: 귀하의 신경 개인정보는 매우 중요합니다. 이것이 바로 Emotiv가 첫날부터 개인정보 보호를 염두에 두고 EEG 데이터 수집을 설계한 이유입니다. Emotiv가 귀하의 뇌 데이터를 보호하는 방법을 확인하세요.

결론

BCI 프로젝트를 시작하는 것은 혁신과 영향력을 위한 엄청난 잠재력을 제공하는 흥미진진한 여정입니다. 귀하가 초보자이든 숙련된 전문가이든, Emotiv는 귀하가 성공하는 데 필요한 도구와 지원을 제공합니다. 적절한 BCI 기기와 명확한 비전이 있다면 새로운 가능성을 열 수 있습니다.

지금 Emotiv의 BCI 기기와 리소스를 확인하여 BCI 프로젝트 작업을 시작하십시오. BCI 기술로 인간-기술 상호작용의 미래를 만들어가고 있는 혁신가 및 연구자 커뮤니티에 참여하십시오.

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참고자료

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.