Dzięki głośnym projektom, takim jak Neuralink Elona Muska, interfejsy mózg-komputer (BCI) zyskały w ostatnich latach ogólnoświatową uwagę. Możesz być jednak zaskoczony informacją, że technologia BCI istnieje już od ponad czterech dekad i że nie potrzebujesz operacji chirurgicznej, aby tworzyć własne projekty „sterowane myślami”.

Emotiv zadebiutował w 2011 roku, prezentując swój pierwszy bezprzewodowy zestaw EEG jako rewolucyjne urządzenie BCI do gier. Od tego czasu technologia ta poczyniła znaczne postępy wraz z algorytmami uczenia maszynowego i ulepszonymi czujnikami fal mózgowych. Dziś entuzjaści BCI wciąż zwracają się do Emotiv w poszukiwaniu rozwiązań dla swoich projektów interfejsów mózg-komputer.

Niezależnie od tego, czy jesteś początkującym, czy doświadczonym profesjonalistą, świat BCI oferuje ekscytujące możliwości innowacji i odkryć. Oto przewodnik po urządzeniach typu interfejs mózg-komputer, który pomoże Ci zrozumieć i wejść do tego fascynującego świata.

Zrozumienie technologii interfejsu mózg-komputer

Technologia interfejsu mózg-komputer (BCI) umożliwia bezpośrednią komunikację między mózgiem a urządzeniami zewnętrznymi. Technicznie rzecz biorąc, każde urządzenie, które odczytuje sygnały mózgowe, to BCI. Niedawno termin ten był używany głównie do opisywania BCI, które pozwalają „sterować myślami” urządzeniami. Ta sama technologia, która pomaga zrozumieć funkcjonowanie mózgu, może przetłumaczyć sygnały mózgowe na polecenia dla różnych zadań, w tym sterowania kursorem komputera, poruszania protezami kończyn i tworzenia interaktywnych gier. Technologia BCI oferuje nową nadzieję osobom niemogącym korzystać ze swoich kończyn, a także sprawnym innowatorom i hobbystom na całym świecie.

Ponieważ „BCI” stało się modnym hasłem w powszechnej świadomości, ważne jest rozróżnienie typów urządzeń interfejsu mózg-komputer, aby uniknąć nieporozumień i umożliwić konsumentom oraz instytucjom wybór odpowiedniego urządzenia BCI dla nich.

Urządzenia BCI: operacja chirurgiczna vs. zestaw słuchawkowy

Obecnie istnieją dwa różne rodzaje urządzeń interfejsu mózg-komputer: te wszczepiane do mózgu oraz te odczytujące sygnały mózgowe ze skóry głowy (Rys. 1). Oto różnice pomiędzy nimi.

Rysunek 1. Klasyfikacja technologii pozyskiwania sygnałów BCI. (a) to schemat klasyfikacji ze względu na inwazyjność zabiegu, który obejmuje trzy poziomy: nieinwazyjny, małoinwazyjny i inwazyjny. (b) pokazuje wykres klasyfikacji ze względu na wymiar wykrywania, który obejmuje trzy poziomy: bez implantacji, interwencyjny i implantacyjny. [1]

Wewnątrzczaszkowe (inwazyjne)

Elektroencefalografia wewnątrzczaszkowa (iEEG) polega na wszczepianiu elektrod bezpośrednio do głowy pacjenta. Pozwala to lekarzom na uzyskanie wyraźnego sygnału elektronicznego do celów badawczych, diagnostycznych i leczniczych. Implanty mózgowe mogą odczytywać dane, stymulować mózg lub wykonywać obie te czynności. Zastosowania obejmują m.in. ocenę napadów epileptycznych [2], leczenie chorób psychicznych [3], omijanie paraliżu, umożliwianie konwersji myśli na tekst lub myśli na mowę (Rys. 2), a nawet przywracanie wzroku [4][5].

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków definiuje wszczepiane urządzenia BCI jako „neuroprotezy łączące się z ośrodkowym lub obwodowym układem nerwowym w celu przywrócenia utraconych zdolności ruchowych i/lub sensorycznych u pacjentów z paraliżem lub po amputacji” [6].

Rysunek 2. Casey Harrell, cierpiący na ALS, odzyskuje mowę dzięki implantowi BCI w ramach badania klinicznego BrainGate. (Źródło: UC Regents)

Wewnątrzczaszkowe (małoinwazyjne)

Naukowcy eksperymentowali z mniej inwazyjnymi metodami odczytywania bezpośrednich informacji z mózgu. Jedną z metod jest metoda wewnątrznaczyniowa (Rys. 3), polegająca na wprowadzaniu elektrod do mózgu za pomocą stentu przez naczynia krwionośne [7][8].

Inna metoda nazywana jest elektrokortykografią (ECoG) i wymaga chirurgicznego umieszczenia elektrod pod czaszką, pod oponą twardą (ECoG podtwardówkowe) lub na zewnątrz opony twardej (ECoG nadtwardówkowe). Zabieg ten jest inwazyjny, ale w mniejszym stopniu niż tradycyjne implanty BCI [9].

Rysunek 3. A, Schemat w pełni wszczepionego interfejsu mózg-komputer (BCI). Urządzenie z elektrodami jest wszczepiane do naczynia krwionośnego zatoki strzałkowej górnej (powiększenie) i połączone z wszczepialnym odbiornikiem-nadajnikiem (IRTU) w kieszeni podskórnej. IRTU komunikuje się z zewnętrznym odbiornikiem telemetrycznym (ERTU), który przekazuje sygnały do jednostki sterującej sygnałem w celu sterowania laptopem lub tabletem. B, BCI z okulografem (eye trackerem) do sterowania komputerem. Śledzenie wzroku służy do poruszania kursonem, a BCI do klikania. C, BCI bez śledzenia wzroku do sterowania komputerem. Skaner elementów podświetla elementy sekwencyjnie, a BCI służy do kliknięcia elementu, gdy jest on podświetlony [7].

Nieinwazyjne BCI (zestawy EEG)

Rysunek 4. John uczestniczy w BCI4Kids, programie pomagającym dzieciom z niepełnosprawnościami wchodzić w interakcję z otoczeniem za pomocą interfejsów mózg-komputer. Prace artystyczne Johna tworzone za pomocą myśli możesz zobaczyć TUTAJ.

Nieinwazyjne urządzenia BCI wykorzystują elektrody do odczytywania sygnałów elektrycznych przez skórę głowy pacjenta. Proces ten tradycyjnie ograniczał się do warunków laboratoryjnych, lecz pojawienie się bezprzewodowych urządzeń EEG klasy badawczej umożliwiło dokładny odczyt fal mózgowych w dowolnym miejscu (Rys. 4).

Obecnie na rynku dostępnych jest kilkadziesiąt nieinwazyjnych zestawów BCI — wiele z nich zaprojektowano z myślą o jednym celu, takim jak monitorowanie snu lub koncentracji. Ceny mogą wahać się od kilkuset dolarów do setek tysięcy. Emotiv oferuje najbardziej wszechstronną i przystępną cenowo gamę bezprzewodowych urządzeń BCI, posiadających od 2 do 32 czujników, z których korzystają neuronaukowcy, studenci, edukatorzy, innowatorzy, gracze, hobbyści i artyści na całym świecie.

Według audytu recenzowanych artykułów z 2022 roku [10], Emotiv jest najczęściej wykorzystywanym konsumenckim urządzeniem EEG (67.69%) w badaniach naukowych. Naukowcy ufają Emotiv ze względu na jego naukowo potwierdzoną wydajność, przystępną cenę w porównaniu z tradycyjnym laboratoryjnym sprzętem EEG oraz wszechstronność. Ten sam zestaw słuchawkowy Emotiv, który w uniwersyteckim laboratorium służy do przełomowych badań nad ludzkim mózgiem, może zostać udostępniony wydziałowi muzycznemu do występów z użyciem BCI, następnie przekazany wydziałowi psychologii do zajęć praktycznych, a na koniec udostępniony studenckiemu klubowi BCI do wyścigów dronów sterowanych myślami.

Urządzenia Emotiv BCI

W Emotiv posiadamy bezprzewodowe urządzenia BCI przeznaczone zarówno dla osób początkujących, jak i dla doświadczonych użytkowników.

Powyżej: Wózek inwalidzki sterowany za pomocą urządzenia Emotiv Flex jako BCI [11].

Powyżej: Student używa Epoc X oraz płytki Arduino do sterowania robotycznym ramieniem. (Źródło: Matt Su)

Powyżej: Student z Uniwersytetu Florydy nosi urządzenie Emotiv Insight BCI do sterowania dronem. (Źródło)

Rysunek 5. Streamerka Perrikaryal z sukcesem korzysta z 2-kanałowego urządzenia ubieralnego Emotiv MN8, aby sterować grą Halo za pomocą BCI.

Rozpoczęcie pracy nad własnym projektem BCI

Jak korzystać z BCI?

Do rozpoczęcia projektu BCI potrzebujesz pięciu podstawowych elementów.

1. Jasny cel

2. Urządzenie do akwizycji sygnału, takie jak zestaw EEG od Emotiv

3. Oprogramowanie do przetwarzania sygnału, takie jak EmotivBCI.

4. Przypisane polecenia BCI (wymagane pewne doświadczenie w kodowaniu)

5. Dostęp do urządzenia, którym chcesz sterować za pomocą SDK, płytki Arduino itp.

6. Urządzenie do odbierania poleceń BCI

Wybór właściwych urządzeń BCI

Wybór odpowiedniego urządzenia BCI ma kluczowe znaczenie dla powodzenia Twojego projektu. Oto kilka kluczowych kwestii do rozważenia:

Łatwość użycia: Szukaj urządzenia przyjaznego dla użytkownika i prostego w konfiguracji, zwłaszcza jeśli jesteś początkujący. Urządzenia Emotiv BCI można skonfigurować w zaledwie kilka minut dzięki czujnikom suchym, półsuchym oraz solankowym.

1. Funkcjonalność: Upewnij się, że urządzenie oferuje funkcje i możliwości niezbędne dla Twojego konkretnego projektu. Zestawy słuchawkowe Emotiv skanują cały mózg, ale z reguły BCI działa lepiej przy większej liczbie czujników. Zgodnie z tą logiką, Emotiv Flex wykorzystuje do 32 czujników w celu uzyskania maksymalnego odczytu mózgu, jednak nasi użytkownicy zazwyczaj uznają Epoc X lub Insight za w zupełności wystarczające do swoich projektów i badań BCI. Tymczasem urządzenia ubieralne MN8 są idealne do tworzenia aplikacji mobilnych BCI.

2. Rozmieszczenie czujników: Wybierając zestaw EEG, weź pod uwagę umiejscowienie czujników i to, jaki ma ono wpływ na Twoje potrzeby. Na przykład niektóre urządzenia BCI dostępne na rynku posiadają tylko jeden czujnik lub wiele czujników zlokalizowanych wyłącznie z tyłu głowy.

3. Mokre vs suche czujniki: Wybierając urządzenie BCI, weź pod uwagę komfort i jakość sygnału, zwłaszcza jeśli zamierzasz nosić je przez dłuższy czas. Czujniki solankowe są wygodniejsze niż żelowe, półsuche są łatwiejsze w użyciu niż solankowe, a czujniki suche są najwygodniejsze w codziennym użytku. Porównaj jakość sygnału urządzeń Emotiv.

4. Kompatybilność: Wybierz urządzenie, które dobrze integruje się z Twoim istniejącym oprogramowaniem i narzędziami sprzętowymi. Jeśli chcesz zintegrować BCI z istniejącym systemem (drony, Spotify, Internet Rzeczy itp.), upewnij się, że masz dostęp do SDK oraz API.

5. Wsparcie: Wybierz urządzenie firmy, która oferuje silne wsparcie techniczne i posiada zaangażowaną społeczność użytkowników. Emotiv oferuje rozbudowaną bazę wiedzy oraz wsparcie klienta.

6. Dane i prywatność: Twoja prywatność neuronowa ma znaczenie. Dlatego od samego początku Emotiv projektował swoje systemy zbierania danych EEG z myślą o ochronie prywatności. Zobacz, jak Emotiv chroni Twoje dane mózgowe.

Podsumowanie

Rozpoczęcie projektu BCI to ekscytująca podróż, która oferuje ogromny potencjał innowacyjny i społeczny. Niezależnie od tego, czy jesteś początkującym, czy doświadczonym profesjonalistą, Emotiv zapewnia narzędzia i wsparcie, których potrzebujesz, aby odnieść sukces. Wybierając odpowiednie urządzenie BCI i mając jasną wizję, możesz odblokować nowe możliwości.

Odkryj urządzenia BCI oraz zasoby Emotiv już dziś, aby zacząć pracę nad własnym projektem BCI. Dołącz do społeczności innowatorów i badaczy, którzy kształtują przyszłość interakcji człowieka z technologią za pomocą technologii BCI.

Dołącz do naszej społeczności deweloperów

Podziel się z nami swoimi projektami BCI! Oznacz #Emotiv w mediach społecznościowych lub napisz e-mail na adres hello@emotiv.com.

Potrzebujesz pomocy? SKONTAKTUJ SIĘ Z NAMI

Bibliografia

1. Y. Sun i in., „Signal acquisition of brain-computer interfaces: A medical-engineering crossover perspective review”, Fundamental Research, kwiecień 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Dostępne pod adresem: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559

2. P. S. Reif, A. Strzelczyk i F. Rosenow, „The history of invasive EEG evaluation in epilepsy patients”, Seizure, t. 41, s. 191–195, kwiecień 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”, Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków, 20 maja 2021 r. 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 i in., „Responsive deep brain stimulation guided by ventral striatal electrophysiology of obsession durably ameliorates compulsion”, Neuron, t. 112, nr 1, s. 73-83.e4, styczeń 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.

5. „Neuralink na platformie X: ‘Otrzymaliśmy od FDA oznaczenie technologii przełomowej (Breakthrough Device Designation) dla projektu Blindsight. Dołącz do naszej misji przywracania wzroku tym, którzy go stracili. Zgłoś się do naszego Rejestru Pacjentów i sprawdź oferty pracy na naszej stronie kariery https://t.co/abBMTdv7Rh’ / X”, X (dawniej 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 i D.-R. Chebat, „Brain-Machine interfaces to assist the blind”, Frontiers in Human Neuroscience, t. 15, luty 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.

7. P. Mitchell i in., „Assessment of safety of a fully implanted endovascular Brain-Computer interface for severe paralysis in 4 patients”, JAMA Neurology, t. 80, nr 3, s. 270, marzec 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.

8. Q. He i in., „The brain nebula: minimally invasive brain–computer interface by endovascular neural recording and stimulation”, Journal of NeuroInterventional Surgery, s. jnis-021296, luty 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.

9. R. P. N. Rao, „Semi-Invasive BCIs”, w: Cambridge University Press eBooks, 2013, s. 149–176. doi: 10.1017/cbo9781139032803.012.

10. J. Sabio, N. S. Williams, G. M. McArthur i N. A. Badcock, „A scoping review on the use of consumer-grade EEG devices for research”, bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), grudzień 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.

11. D. Pawuś i S. Paszkiel, „BCI wheelchair control using expert system classifying EEG signals based on power spectrum estimation and nervous tics detection”, Applied Sciences, t. 12, nr 20, s. 10385, październik 2022, doi: 10.3390/app122010385.