뇌-컴퓨터 인터페이스 장치에 대한 안내

일론 머스크의 뉴럴링크와 같은 고프로필 프로젝트 덕분에, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 최근 몇 년간 전 세계적인 관심을 받았습니다. 하지만 BCI 기술은 40년 넘게 존재해 왔으며, 자신의 "마인드 컨트롤" 프로젝트를 만들기 위해 수술이 필요하지 않다는 사실에 당신은 놀랄지도 모릅니다.

EMOTIV는 2011년 첫 번째 무선 EEG 헤드셋을 혁신적인 BCI 게임 장치로 선보이며 데뷔했습니다. 그 이후로 기술은 기계 학습 알고리즘 및 개선된 뇌파 센서와 함께 상당히 발전했습니다. 오늘날 BCI 애호가들은 여전히 EMOTIV를 그들의 뇌-컴퓨터 인터페이스 프로젝트 필요에 맞춰 선택하고 있습니다.

당신이 초보자이든 경력 있는 전문가이든 BCI의 세계는 혁신과 발견을 위한 흥미로운 기회를 제공합니다. 다음은 이 매혹적인 세계를 이해하고 접근하는 데 도움을 주기 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치 가이드입니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 이해하기

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 뇌와 외부 장치 간의 직접적인 통신을 가능하게 합니다. 기술적으로, 뇌 신호를 읽는 모든 장치는 BCI입니다. 최근에는 "마인드 컨트롤" 장치를 허용하는 BCI를 설명하는 데 주로 사용되고 있습니다. 뇌 기능을 이해하는 데 도움을 주는 동일한 기술이 뇌 신호를 다양한 작업에 대한 명령으로 변환할 수 있으며, 여기에는 컴퓨터 커서를 제어하거나, 의수 팔다리를 움직이거나, 인터랙티브 게임 경험을 만드는 것이 포함됩니다. BCI 기술은 팔다리를 사용하지 못하는 이들에게 새로운 희망을 제공하며, 유능한 혁신가와 취미가인들 또한 포함됩니다.

"BCI"가 유행어가 되었으므로 소비자와 기관들이 자신에게 맞는 BCI 장치를 선택할 수 있도록 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치 유형 간의 구별이 중요합니다.

BCI 장치: 수술과 헤드셋

현재 두 가지 뚜렷한 유형의 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치가 있습니다; 뇌에 이식된 것과 두피에서 뇌 신호를 읽는 것(Fig. 1). 다음은 그 차이점입니다.

그림 1. BCI 신호 수집 기술의 분류. (a)는 비침습적, 최소 침습적, 침습적 세 가지 수준을 포함하는 수술 차원의 분류 다이어그램입니다. (b)는 비이식, 개입, 이식을 포함하는 탐지 차원의 분류 다이어그램입니다. [1]

두개내(침습적)

두개내 뇌파 측정(iEEG)은 전극을 사람의 머리 안에 직접 이식합니다. 이는 의사가 연구, 탐지 및 치료를 위해 명확한 전자 신호를 얻을 수 있도록 합니다. 뇌 이식물은 데이터를 읽거나, 뇌를 자극하거나, 둘 다 가능합니다. 사용 사례는 간질 발작 평가 [2], 정신 질환 치료 [3], 마비 우회, 사고에서 텍스트로 변환 또는 사고에서 음성으로 변환 (그림 2) 및 시력 복원 [4][5] 등이 있습니다. 

미국 식품의약국(FDA)은 이식된 BCI 장치를 "중추 또는 말초 신경계와 인터페이스하여 마비 또는 절단이 있는 환자에게 잃어버린 운동 및/또는 감각 능력을 회복하는 신경 보철물"로 정의합니다 [6].

그림 2. ALS를 앓고 있는 케이스y 하렐이 BrainGate 임상 시험을 통해 BCI 이식의 도움으로 다시 말하고 있습니다. (크레딧: UC Regents)

두개내(최소 침습적)

연구자들은 뇌에서 직접 정보를 읽는 덜 침습적인 방법을 실험해왔습니다. 한 가지 방법은 혈관 내 방법(Fig. 3)으로, 스텐트를 통해 뇌까지 전극을 보냅니다 [7][8].

또 다른 방법은 전두엽 피질 전기 측정(ECoG)으로, 전극을 두개골 아래에 이식해야 하며, 경막 아래(subdural ECoG) 또는 경막 밖(epidural ECoG)에서 실시합니다. 이 절차는 침습적이지만 기존 BCI 이식물보다 덜 침습적입니다 [9].

그림 3. A, 완전히 이식된 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 도식. 전극이 우세한 두개정맥동의 혈관에 이식되고(삽입) 피하 주머니에 이식 가능한 수신 송신 장치(IRTU)가 연결되어 있습니다. IRTU는 외부 수신 텔레메트리 장치(ERTU)와 통신하며, 이 장치는 신호 제어 장치로 신호를 전송하여 노트북 컴퓨터 또는 태블릿을 제어합니다. B, 컴퓨터 제어를 위한 눈 추적기와 함께하는 BCI. 눈 추적기를 사용하여 커서를 이동하고, BCI를 사용하여 클릭합니다. C, 컴퓨터 제어를 위한 눈 추적기가 없는 BCI. 항목 스캐너가 항목을 순서대로 강조 표시하고 BCI를 사용하여 강조된 항목을 클릭합니다 [7].

비침습적 BCI (EEG 헤드셋)

그림 4. 존이 BCI4Kids 프로그램에 참여하여 장애를 가진 아동이 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 환경과 상호작용하도록 돕고 있습니다. 존의 뇌의 힘으로 만들어진 예술 작품을 여기에서 볼 수 있습니다.

비침습적 BCI 장치는 전극을 사용하여 사람의 두피를 통해 전기 신호를 읽습니다. 이 과정은 전통적으로 실험실 환경에 한정되었지만, 무선 연구용 EEG 장치의 출현으로 어디서나 정확한 뇌파 측정이 가능해졌습니다(Fig. 4).

현재 시장에는 수십 가지 비침습적 BCI 헤드셋이 있으며, 이들 중 많은 제품은 수면이나 집중 모니터링과 같은 하나의 목적을 위해 설계되었습니다. 가격은 수백 달러에서 수십 만 달러까지 다양합니다. EMOTIV는 2개의 센서부터 32개까지 다양하며, 전 세계의 신경 과학자, 학생, 교육자, 혁신가, 게이머, 취미가, 예술가들에 의해 사용되는 가장 다재다능하고 저렴한 무선 BCI 장비를 제공합니다. 

2022년 또래 검토 논문 감사에 따르면 [10], EMOTIV는 과학 연구에 가장 많이 사용되는 소비자 EEG 장치(67.69%)입니다. 연구자들은 EMOTIV의 과학적으로 검증된 성능, 전통적인 EEG 실험실 장비에 비해 경제성 및 다재다능성 덕분에 EMOTIV를 신뢰합니다. 인간의 뇌에 대한 획기적인 연구를 수행하기 위해 대학 실험실에서 사용되는 EMOTIV 헤드셋은 음악 학부와 BCI 공연을 위해 공유되고, 이후 심리학 부서로 넘어가 실습 학습을 위해 사용되며, 학생 BCI 클럽에 공유되어 뇌로 구동되는 드론 경주에 사용됩니다. 

EMOTIV BCI 장치

EMOTIV에는 초보자와 숙련된 사용자 모두를 위한 무선 BCI 장치가 있습니다.

위: EMOTIV FLEX를 BCI 장치로 사용하여 휠체어를 제어하고 있습니다 [11].

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

위: 플로리다 대학교의 한 학생이 드론을 제어하기 위해 EMOTIV Insight BCI 장치를 착용하고 있습니다. (출처)

그림 5. 트위치 게이머 페리카리알이 BCI를 사용하여 Halo 게임을 성공적으로 제어하고 있습니다.

BCI 프로젝트 시작하기

BCI를 어떻게 사용하나요?

BCI 프로젝트를 시작하기 위해 필요한 기본 요소는 다음과 같습니다.

1. 명확한 목표

2. EMOTIV의 EEG 헤드셋와 같은 신호 수집 장치

3. EmotivBCI와 같은 신호 처리 소프트웨어.

4. 할당된 BCI 명령(일부 코딩 경험 필요)

5. SDK, 아두이노 보드 등을 통해 제어하려는 장치에 대한 접근

6. BCI 명령을 수신할 장치

적합한 BCI 장치 선택하기

적절한 BCI 장치를 선택하는 것은 프로젝트의 성공을 위해 매우 중요합니다. 다음은 몇 가지 주요 고려 사항입니다:

사용 용이성: 특히 초보자라면 사용하기 쉽고 설정하기 간편한 장치를 찾으세요. EMOTIV BCI 장치는 건식, 반건식, 염수 센서를 사용하여 몇 분 안에 설정할 수 있습니다.

1. 기능성: 장치가 특정 프로젝트에 필요한 기능과 능력을 제공하는지 확인하십시오. EMOTIV 헤드셋은 전체 뇌 감지를 제공하지만 일반적으로 BCI는 더 많은 센서로 더 잘 작동합니다. 이러한 논리에 따라 EMOTIV FLEX는 최대 32개의 센서를 사용하여 최대한의 뇌 감지를 제공하지만, 우리의 사용자들은 EPOC X나 Insight가 그들의 BCI 프로젝트와 연구에 충분하다고 생각합니다. 한편, MN8 뇌 의류 장치는 BCI 모바일 앱 개발에 적합합니다.

2. 센서 배치: EEG 헤드셋을 선택할 때 센서의 위치와 그로 인해 필요에 미치는 영향을 고려하세요. 예를 들어, 시장에 있는 일부 BCI 장치는 단 하나의 센서만 있거나 머리 뒤쪽에만 여러 개의 센서가 위치해 있습니다. 

3. 습식 대 건식 센서: 특히 오랜 시간 착용할 계획이라면 BCI 장치를 선택할 때 편안함과 신호 품질을 고려하세요. 염수 센서는 젤보다 편안하고, 반건식 센서는 염수보다 사용하기 쉬우며, 건식 센서는 가장 쉽게 사용할 수 있습니다. EMOTIV 장치의 신호 품질을 비교하세요.

4. 호환성: 기존 소프트웨어 및 하드웨어 도구와 잘 통합되는 장치를 선택하세요. BCI를 기존 시스템(드론, 스포티파이, 사물인터넷 등)과 통합하고자 하는 경우 SDK, API 접근이 가능한지 확인하세요.

5. 지원: 강력한 지원을 제공하며 적극적인 사용자 커뮤니티를 갖춘 회사의 장치를 선택하세요. EMOTIV는 광범위한 지식 베이스와 고객 지원을 제공합니다.

6. 데이터와 개인 정보 보호: 당신의 신경 개인 정보는 중요합니다. 그 이유로 EMOTIV는 첫날부터 개인 정보를 고려하여 EEG 데이터 수집을 설계했습니다. EMOTIV가 당신의 뇌 데이터를 어떻게 보호하는지 확인하세요.

결론

BCI 프로젝트를 시작하는 것은 혁신과 영향의 잠재력이 큰 흥미로운 여정입니다. 당신이 초보자이든 경험이 많은 전문가이든 EMOTIV는 당신이 성공하기 위해 필요한 도구와 지원을 제공합니다. 적절한 BCI 장치와 명확한 비전이 있다면 새로운 가능성을 열 수 있습니다.

오늘 EMOTIV의 BCI 장치와 리소스를 발견하여 BCI 프로젝트에 착수하세요. BCI 기술을 통해 인간-기술 상호작용의 미래를 형성하고 있는 혁신가 및 연구자 커뮤니티에 합류하세요.

우리 개발자 커뮤니티에 참여하세요

당신의 BCI 프로젝트를 공유하세요! 소셜 미디어에서 #EMOTIV를 태그하거나 이메일을 보내주세요 hello@emotiv.com.

더 도움이 필요하신가요? 문의하기

참고 문헌

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.