Een gids voor hersen-computerinterfaceapparaten

Dankzij spraakmakende projecten zoals Neuralink van Elon Musk hebben brain-computer interfaces (BCI) de afgelopen jaren wereldwijd aandacht gekregen. Je zult misschien verrast zijn te horen dat BCI-technologie al meer dan vier decennia bestaat en dat je geen operatie nodig hebt om je eigen “mind-controlled” projecten te maken.

EMOTIV debuteerde in 2011 en presenteerde zijn eerste draadloze EEG-headset als een revolutionair BCI-gamingapparaat. Sindsdien is de technologie aanzienlijk vooruitgegaan, samen met machinelearningalgoritmen en verbeterde hersengolfsensoren. Tegenwoordig wenden BCI-enthousiastelingen zich nog steeds tot EMOTIV voor hun behoeften rond brain-computer interface-projecten.

Of je nu een beginner bent of een ervaren professional, de wereld van BCI biedt spannende mogelijkheden voor innovatie en ontdekking. Hier is een gids voor brain-computer interface-apparaten om je te helpen deze fascinerende wereld te begrijpen en er toegang toe te krijgen.

Brain-Computer Interface-technologie begrijpen

Brain-computer interface (BCI)-technologie maakt directe communicatie mogelijk tussen de hersenen en externe apparaten. Technisch gezien is elk apparaat dat hersensignalen leest een BCI. Meer recent wordt de term voornamelijk gebruikt om BCI’s te beschrijven waarmee je apparaten met je gedachten kunt besturen. Dezelfde technologie die helpt om hersenfuncties te begrijpen, kan hersensignalen vertalen naar opdrachten voor verschillende taken, waaronder het bedienen van een computercursor, het bewegen van prothesematen en het creëren van interactieve game-ervaringen. BCI-technologie biedt nieuwe hoop aan mensen die hun ledematen niet kunnen gebruiken, naast valide innovators en hobbyisten overal ter wereld.

Sinds “BCI” een modewoord in de tijdgeest is geworden, is het belangrijk om onderscheid te maken tussen typen brain computer interface-apparaten om verwarring te verminderen, zodat consumenten en instellingen het juiste BCI-apparaat voor hen kunnen kiezen.

BCI-apparaten: operatie vs. headset

Er zijn momenteel twee verschillende typen brain-computer interface-apparaten: apparaten die in de hersenen worden geïmplanteerd en apparaten die hersensignalen van de hoofdhuid aflezen (Fig. 1). Dit zijn de verschillen.

Figuur 1. Classificatie van BCI-signaalverwervingstechnologieën. (a) is het classificatiediagram van de chirurgiedimensie, met drie niveaus: niet-invasief, minimaal invasief en invasief. (b) toont het classificatiediagram van de detectiedimensie, met drie niveaus: niet-implantatie, interventie en implantatie. [1]

Intracranieel (invasief)

Intracraniële elektro-encefalografie (iEEG) implanteert elektroden rechtstreeks in iemands hoofd. Hierdoor kunnen artsen een duidelijk elektronisch signaal verkrijgen voor onderzoek, detectie en behandeling. Hersenimplantaten kunnen data uitlezen, de hersenen stimuleren, of beide. Toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het evalueren van epileptische aanvallen [2], het behandelen van mentale aandoeningen [3], het omzeilen van verlamming, het mogelijk maken van thought-to-text of thought-to-speech (Fig. 2) en zelfs herstel van het gezichtsvermogen [4][5]. 

De Amerikaanse Food & Drug Administration definieert geïmplanteerde BCI-apparaten als “neuroprotheses die communiceren met het centrale of perifere zenuwstelsel om verloren motorische en/of sensorische capaciteiten te herstellen bij patiënten met verlamming of amputatie” [6].

Figuur 2. Casey Harrell, die lijdt aan ALS, spreekt opnieuw met behulp van een BCI-implantaat via de BrainGate-klinische studie. (Credit: UC Regents)

Intracranieel (minimaal invasief)

Onderzoekers hebben geëxperimenteerd met minder invasieve methoden om directe informatie uit de hersenen te lezen. Eén methode is endovasculair (Fig. 3), waarbij elektroden via een stent door de bloedvaten naar de hersenen worden gestuurd [7][8].

Een andere methode heet electrocorticographic (ECoG), waarvoor elektroden chirurgisch onder de schedel worden geplaatst, ofwel onder de dura mater (subdurale ECoG) of buiten de dura mater (epidurale ECoG). De procedure is invasief, maar minder dan traditionele BCI-implantaten [9].

Figuur 3. A, Schematische weergave van de volledig geïmplanteerde brain-computer interface (BCI). Een apparaat met elektroden wordt geïmplanteerd in het superieure sagittale sinus-bloedvat (inzet) en verbonden met een implanteerbare ontvanger-zendereenheid (IRTU) in de subcutane pocket. IRTU communiceert met een externe receiver telemetry unit (ERTU), die signalen doorstuurt naar een signal control unit voor het bedienen van een laptop of tablet. B, BCI met een eye tracker voor computerbesturing. Oogtracking wordt gebruikt om de cursor te verplaatsen, en BCI wordt gebruikt om te klikken. C, BCI zonder oogtracking voor computerbesturing. Een itemscanner markeert items opeenvolgend, en de BCI wordt gebruikt om op een item te klikken wanneer het is gemarkeerd [7].

Niet-invasieve BCI (EEG-headsets)

Figuur 4. John neemt deel aan BCI4Kids, een programma dat kinderen met een beperking helpt om met hun omgeving te interageren met behulp van brain-computer interfaces. Je kunt Johns door hersenen aangedreven kunstwerk HIER bekijken.

Niet-invasieve BCI-apparaten gebruiken elektroden om elektrische signalen door iemands hoofdhuid heen te lezen. Dit proces was traditioneel beperkt tot een laboratoriumomgeving, maar de komst van draadloze EEG-apparaten van onderzoeksniveau heeft nauwkeurige hersengolfmetingen overal mogelijk gemaakt (Fig. 4).

Momenteel zijn er tientallen niet-invasieve BCI-headsets op de markt, waarvan vele met één specifiek doel zijn ontworpen, zoals slaap- of focusmonitoring. Prijzen kunnen variëren van enkele honderden dollars tot honderdduizenden. EMOTIV biedt het meest veelzijdige en betaalbare assortiment draadloze BCI-apparaten, variërend van twee sensoren tot 32, gebruikt door neurowetenschappers, studenten, docenten, innovators, gamers, hobbyisten en kunstenaars over de hele wereld. 

Volgens een audit uit 2022 van peer-reviewed artikelen [10] is EMOTIV het meest gebruikte consumenten-EEG-apparaat (67,69%) voor wetenschappelijk onderzoek. Onderzoekers vertrouwen op EMOTIV vanwege de wetenschappelijk gevalideerde prestaties, betaalbaarheid vergeleken met traditionele EEG-laboratoriumapparatuur en veelzijdigheid. Dezelfde EMOTIV-headset die in een universitair laboratorium wordt gebruikt om baanbrekend onderzoek naar het menselijk brein uit te voeren, kan worden gedeeld met de muziekafdeling voor een BCI-uitvoering, daarna worden doorgegeven aan de psychologieafdeling voor praktisch leren, en gedeeld worden met een BCI-studentenclub om door hersenen aangedreven drones te racen. 

EMOTIV BCI-apparaten

Bij EMOTIV hebben we draadloze BCI-apparaten voor zowel beginners als ervaren gebruikers.

Boven: Een rolstoel wordt bestuurd met EMOTIV FLEX als BCI-apparaat [11].

Boven: Een student gebruikt EPOC X en een Arduino-bord om een robotarm te besturen. (Bron: Matt Su)

Boven: Een student aan de University of Florida draagt een EMOTIV Insight BCI-apparaat om een drone te besturen. (Bron)

Figuur 5. Twitch-gamer Perrikaryal gebruikt met succes een 2-kanaals EMOTIV MN8-hersenwearable om een spel Halo met BCI te besturen.

Aan de slag met je BCI-project

Hoe gebruik ik BCI?

Je hebt vijf basiselementen nodig om je BCI-project te starten.

1. Een duidelijk doel

2. Signaalacquisitieapparaat, zoals een EEG-headset van EMOTIV

3. Signaalverwerkingssoftware, zoals EmotivBCI.

4. Toegewezen BCI-opdrachten (enige programmeerervaring vereist)

5. Toegang tot het apparaat dat je wilt besturen via SDK, Arduino-bord, enz.

6. Een apparaat om BCI-opdrachten te ontvangen

De juiste BCI-apparaten kiezen

Het kiezen van het juiste BCI-apparaat is cruciaal voor het succes van je project. Hier zijn enkele belangrijke overwegingen:

Gebruiksgemak: Zoek naar een apparaat dat gebruiksvriendelijk en eenvoudig in te stellen is, vooral als je een beginner bent. EMOTIV BCI-apparaten zijn in enkele minuten ingesteld met droge, semi-droge en zoutoplossingssensoren.

1. Functionaliteit: Zorg ervoor dat het apparaat de functies en mogelijkheden biedt die nodig zijn voor jouw specifieke project. EMOTIV-headsets meten de volledige hersenen, maar als algemene regel werkt BCI beter met meer sensoren. Volgens die logica gebruikt EMOTIV FLEX tot 32 sensoren voor maximale hersenmeting, maar onze gebruikers vinden EPOC X of Insight doorgaans meer dan voldoende voor hun BCI-projecten en onderzoek. MN8-brainwearapparaten zijn ondertussen perfect voor BCI mobiele app-ontwikkeling.

2. Sensorplaatsing:Bij het kiezen van een EEG-headset moet je overwegen waar de sensoren zich bevinden en hoe dat je behoeften beïnvloedt. Sommige BCI-apparaten op de markt hebben bijvoorbeeld slechts één sensor of meerdere sensoren die alleen achter op het hoofd zijn geplaatst. 

3. Natte vs. droge sensoren: Houd rekening met comfort en signaalkwaliteit bij het kiezen van een BCI-apparaat, vooral als je het langdurig wilt dragen. Zoutoplossing is comfortabeler dan gel, semi-droge sensoren zijn eenvoudiger te gebruiken dan zoutoplossing, en droge sensoren zijn het meest handig in gebruik. Vergelijk de signaalkwaliteit van EMOTIV-apparaten.

4. Compatibiliteit: Kies een apparaat dat goed integreert met je bestaande software- en hardwaretools. Als je BCI wilt integreren in een bestaand systeem (drones, Spotify, Internet of Things, enz.), zorg er dan voor dat je toegang hebt tot SDK en API.

5. Ondersteuning: Kies een apparaat van een bedrijf dat sterke ondersteuning biedt en een betrokken gebruikerscommunity heeft. EMOTIV biedt een uitgebreide Knowledge Base en klantenondersteuning.

6. Data en privacy: Jouw neurale privacy is belangrijk. Daarom heeft EMOTIV vanaf dag één het verzamelen van EEG-data ontworpen met privacy in gedachten. Bekijk hoe EMOTIV je breindata beschermt.

Conclusie

Een BCI-project starten is een spannende reis die enorm potentieel biedt voor innovatie en impact. Of je nu een beginner bent of een ervaren professional, EMOTIV biedt de tools en ondersteuning die je nodig hebt om te slagen. Met het juiste BCI-apparaat en een duidelijke visie kun je nieuwe mogelijkheden ontsluiten.

Ontdek vandaag nog de BCI-apparaten en hulpmiddelen van EMOTIV om aan je BCI-project te werken. Sluit je aan bij de community van innovators en onderzoekers die de toekomst van mens-technologie-interactie vormgeven met BCI-technologie.

Word lid van onze ontwikkelaarscommunity

Deel je BCI-projecten met ons! Tag #EMOTIV op social media of mail naar hello@emotiv.com.

Meer hulp nodig? NEEM CONTACT OP

Referenties

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. Beschikbaar: 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, 20 mei 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, mrt. 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, okt. 2022, doi: 10.3390/app122010385.