Przewodnik po urządzeniach interfejsu mózg-komputer

Dzięki projektom o dużym zasięgu, takim jak Neuralink Elona Muska, interfejsy mózg-komputer (BCI) zyskały światową uwagę w ostatnich latach. Może być dla Ciebie zaskoczeniem, że technologia BCI istnieje od ponad czterech dekad i że nie potrzebujesz operacji, aby stworzyć własne projekty "sterowane myślą".

EMOTIV zadebiutował w 2011 roku, prezentując swoje pierwsze bezprzewodowe słuchawki EEG jako rewolucyjny sprzęt do gier BCI. Od tego czasu technologia znacznie się rozwinęła wraz z algorytmami uczenia maszynowego i ulepszonymi czujnikami fal mózgowych. Dziś entuzjaści BCI wciąż zwracają się do EMOTIV w poszukiwaniu potrzeb związanych z interfejsem mózg-komputer.

Niezależnie od tego, czy jesteś początkującym, czy doświadczonym profesjonalistą, świat BCI oferuje ekscytujące możliwości innowacji i odkryć. Oto przewodnik po urządzeniach interfejsu mózg-komputer, aby pomóc Ci zrozumieć i uzyskać dostęp 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, jest BCI. Ostatnio termin ten był używany przede wszystkim do opisania BCI, które pozwalają "sterować myślą" urządzeniami. Ta sama technologia, która pomaga zrozumieć funkcjonowanie mózgu, może przetwarzać sygnały mózgowe na polecenia do różnych zadań, w tym kontrolowania kursora komputera, poruszania kończynami protetycznymi i tworzenia interaktywnych doświadczeń w grach. Technologia BCI daje nadzieję nowym osobom, które nie mogą korzystać ze swoich kończyn, oprócz sprawnych innowatorów i hobbystów na całym świecie.

Od kiedy "BCI" stał się modnym słowem w zeitgeście, ważne jest, aby rozróżnić typy urządzeń interfejsu mózg-komputer, aby złagodzić zamieszanie i umożliwić konsumentom oraz instytucjom wybór odpowiedniego urządzenia BCI dla nich.

Urządzenia BCI: Chirurgia vs. Słuchawki

Obecnie istnieją dwa wyraźne typy urządzeń interfejsu mózg-komputer; te wszczepiane do mózgu i te odczytujące sygnały mózgowe z czaszki (rys. 1). Oto różnice.

Rys. 1. Klasyfikacja technologii akwizycji sygnałów BCI. (a) to diagram klasyfikacji wymiaru chirurgicznego, który obejmuje trzy poziomy: nieinwazyjny, minimalnie inwazyjny i inwazyjny. (b) pokazuje diagram klasyfikacji wymiaru detekcji, który obejmuje trzy poziomy: nieimplantacyjny, interwencyjny i implantacyjny. [1]

Intrakranialny (Inwazyjny)

Intrakranialna elektroencefalografia (iEEG) wszczepia elektrody bezpośrednio do głowy osoby. To pozwala lekarzom uzyskać wyraźny sygnał elektroniczny do badań, wykrywania i leczenia. Wszczepy mózgowe mogą czytać dane, stymulować mózg lub wykonywać obie funkcje. Zastosowania obejmują, ale nie ograniczają się do, oceny napadów epileptycznych [2], leczenia chorób psychicznych [3], omijania paraliżu, umożliwienia myślenie-tekst lub myślenie-mowa (rys. 2) oraz nawet przywracania wzroku [4][5]. 

Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków definiuje wszczepiane urządzenia BCI jako "neuroprotez, które łączą się z ośrodkowym lub obwodowym układem nerwowym, aby przywrócić utracone zdolności motoryczne i/lub sensoryczne u pacjentów z paraliżem lub amputacją" [6].

Rys. 2. Casey Harrell, który cierpi na ALS, mówi ponownie dzięki wsparciu wszczepu BCI w ramach klinicznego badania BrainGate. (Credit: UC Regents)

Intrakranialny (Minimalnie inwazyjny)

Badacze eksperymentowali z mniej inwazyjnymi metodami odczytu bezpośrednich informacji z mózgu. Jedną z metod jest endowaskularna (rys. 3), przesyłanie elektrod do mózgu za pomocą stentu przez naczynia krwionośne [7][8].

Inną metodą jest elektrokoegrafia (ECoG), która wymaga chirurgicznego umiejscowienia elektrod pod czaszką, albo pod oponą twardą (ECoG podskórny), albo nad oponą twardą (ECoG epiduralny). Procedura jest inwazyjna, ale mniej niż tradycyjne implanty BCI [9].

Rys. 3. A, Schemat w pełni wszczepionego interfejsu mózg-komputer (BCI). Urządzenie z elektrodami jest wszczepione w naczyniu krwionośnym zatoki strzałkowej górnej (rys. wstawka) i połączone z wszczepialnym jednostką odbiorczą i nadajnikiem (IRTU) w podskórnej kieszeni. IRTU komunikuje się z zewnętrzną jednostką odbiorczą telemetryczną (ERTU), która przekazuje sygnały do jednostki kontrolnej sygnału do kontroli laptopa lub tabletu. B, BCI z trackerem oka do sterowania komputerem. Śledzenie oka jest używane do przesuwania kursora, a BCI do klikania. C, BCI bez śledzenia oka do sterowania komputerem. Skaner przedmiotów podświetla przedmioty w kolejności i BCI jest używane do klikania na przedmiot, gdy jest podświetlony [7].

Nieinwazyjny BCI (Słuchawki EEG)

Rys. 4. John uczestniczy w BCI4Kids, programie, który pomaga dzieciom z niepełnosprawnościami w interakcji z ich środowiskiem za pomocą interfejsów mózg-komputer. Możesz zobaczyć dzieło sztuki Johna napędzane przez mózg TUTAJ.

Nieinwazyjne urządzenia BCI używają elektrod do odczytywania sygnałów elektrycznych przez skórę głowy osoby. Proces ten tradycyjnie był ograniczony do warunków laboratoryjnych, ale pojawienie się bezprzewodowych, badawczych urządzeń EEG umożliwiło dokładne odczyty fal mózgowych wszędzie (rys. 4).

Obecnie na rynku dostępnych jest dziesiątki bezinwazyjnych słuchawek BCI — wiele z nich zaprojektowano z myślą o jednym celu, takim jak monitorowanie snu lub koncentracji. Ceny mogą się różnić od kilku setek dolarów do setek tysięcy. EMOTIV oferuje najbardziej wszechstronną i przystępną cenowo gamę bezprzewodowych urządzeń BCI, od dwóch sensorów do 32, używanych przez neuronaukowców, studentów, nauczycieli, innowatorów, graczy, hobbystów i artystów na całym świecie. 

Zgodnie z audytem artykułów recenzowanych z 2022 roku [10], EMOTIV to najczęściej używane konsumenckie urządzenie EEG (67,69%) do badań naukowych. Badacze ufają EMOTIV za jego naukowo zweryfikowaną wydajność, przystępność w porównaniu do tradycyjnych urządzeń laboratoryjnych EEG oraz wszechstronność. Ta sama słuchawka EMOTIV używana w laboratorium uniwersyteckim do przeprowadzania przełomowych badań nad mózgiem człowieka może być udostępniona działowi muzycznemu na występ BCI, a następnie przekazana do działu psychologii w celu praktycznego uczenia się i dzielona z klubem studenckim BCI do wyścigów dronów napędzanych mózgiem. 

Urządzenia EMOTIV BCI

W EMOTIV mamy bezprzewodowe urządzenia BCI zarówno dla początkujących, jak i doświadczonych użytkowników.

Na górze: Wózek inwalidzki jest kontrolowany za pomocą EMOTIV FLEX jako urządzenia BCI [11].

Na górze: Student używa EPOC X i płytki Arduino do sterowania ramieniem robota. (Źródło: Matt Su)

Na górze: Student na Uniwersytecie Florydy nosi urządzenie EMOTIV Insight BCI do sterowania dronem. (Źródło)

Rys. 5. Gracz Twitch Perrikaryal z powodzeniem używa noszonego na głowie urządzenia EMOTIV MN8 do kontrolowania gry Halo przy użyciu BCI.

Rozpoczęcie projektu BCI

Jak korzystać z BCI?

Musisz mieć pięć podstawowych elementów, aby rozpocząć projekt BCI.

1. Jasny cel

2. Urządzenie do akwizycji sygnałów, takie jak słuchawki EEG od EMOTIV

3. Oprogramowanie do przetwarzania sygnałów, takie jak EmotivBCI.

4. Przypisane polecenia BCI (wymagana częściowa znajomość kodowania)

5. Dostęp do urządzenia, które chcesz kontrolować, przez SDK, płytkę Arduino itp.

6. Urządzenie do odbierania poleceń BCI

Wybór odpowiednich urządzeń BCI

Wybór odpowiedniego urządzenia BCI jest kluczowy dla sukcesu Twojego projektu. Oto kilka kluczowych kwestii:

Łatwość użycia: Szukaj urządzenia, które jest przyjazne dla użytkownika i łatwe do skonfigurowania, szczególnie jeśli jesteś początkujący. Urządzenia BCI EMOTIV uruchamiają się w ciągu kilku minut z suchymi, półsuchymi i solankowymi sensorami.

1. Funkcjonalność: Upewnij się, że urządzenie oferuje funkcje i możliwości potrzebne w Twoim konkretnym projekcie. Słuchawki EMOTIV oferują pełne wykrywanie mózgu, ale ogólnie rzecz biorąc, BCI działa lepiej z większą liczbą sensorów. W tym sensie, EMOTIV FLEX wykorzystuje do 32 sensorów dla maksymalnego wykrywania mózgu, ale nasi użytkownicy zazwyczaj uważają, że EPOC X lub Insight są więcej niż wystarczające do swoich projektów BCI i badań. Urządzenia MN8 są z kolei idealne do rozwoju aplikacji mobilnych BCI.

2. Umiejscowienie sensorów: Przy wyborze słuchawek EEG pomyśl o tym, gdzie są umieszczone sensory i jak to wpływa na Twoje potrzeby. Na przykład, niektóre urządzenia BCI dostępne na rynku mają tylko jeden sensor lub wiele sensorów umiejscowionych tylko z tyłu głowy. 

3. Wet vs. suche sensory: Weź pod uwagę komfort i jakość sygnału przy wyborze urządzenia BCI, szczególnie jeśli zamierzasz nosić je przez dłuższy czas. Solanka jest bardziej komfortowa niż żel, sensory półsuche są łatwiejsze w użyciu niż solankowe, a suche sensory są najwygodniejsze w użyciu. Porównaj jakość sygnału urządzeń EMOTIV.

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

5. Wsparcie: Wybierz urządzenie od firmy, która oferuje silne wsparcie i ma zaangażowaną społeczność użytkowników. EMOTIV oferuje obszerną bazę wiedzy i wsparcie klientów.

6. Dane i prywatność: Twoja prywatność neuronowa ma znaczenie. Dlatego od pierwszego dnia EMOTIV zaprojektował swoje zbieranie danych EEG z myślą o prywatności. Zobacz, jak EMOTIV chroni Twoje dane mózgowe.

Podsumowanie

Rozpoczęcie projektu BCI to ekscytująca podróż, która oferuje ogromny potencjał innowacji i wpływu. Niezależnie od tego, czy jesteś początkującym, czy doświadczonym profesjonalistą, EMOTIV zapewnia narzędzia i wsparcie, których potrzebujesz, aby odnieść sukces. Przy odpowiednim urządzeniu BCI i jasnej wizji możesz odkryć nowe możliwości.

Odkryj urządzenia BCI i zasoby EMOTIV już dziś, aby rozpocząć pracę nad swoim projektem BCI. Dołącz do społeczności innowatorów i badaczy, którzy kształtują przyszłość interakcji człowiek-technologia z technologią BCI.

Dołącz do naszej społeczności deweloperów

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

Potrzebujesz więcej pomocy? SKONTAKTUJ SIĘ Z NAMI

Literatura

1. Y. Sun et al., „Pozyskiwanie sygnałów z interfejsów mózg-komputer: przegląd z perspektywy medyczno-inżynieryjnej”, Fundamental Research, kwiecień 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Dostępne: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559

2. P. S. Reif, A. Strzelczyk i F. Rosenow, „Historia inwazyjnej oceny EEG u pacjentów z epilepsją”, Seizure, vol. 41, s. 191–195, kwiecień 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.

3. Centrum ds. Urządzeń i Zdrowia Radiologicznego, „Wszczepiane urządzenia interfejsu mózg-komputer (BCI) dla pacjentów z paraliżem lub amputacją - Badania niekliniczne i kwestie kliniczne,” Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków, 20 maja 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., „Reaktywna stymulacja głębokiego mózgu kierowana przez elektrofizjologię prążkowia obsession trwale łagodzi przymus,” Neuron, vol. 112, nr 1, s. 73-83.e4, styczeń 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.

5. „Neuralink na X: 'Otrzymaliśmy oznaczenie Breakthrough Device od FDA dla Blindsight. Dołącz do naszej misji przywrócenia wzroku tym, którzy go stracili. Zarejestruj się w naszym rejestrze pacjentów i otwarciach 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, „Interfejsy mózg-maszyna wspierające niewidomych,” Frontiers in Human Neuroscience, vol. 15, luty 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.

7. P. Mitchell et al., „Ocena bezpieczeństwa w pełni wszczepionego endowaskularnego interfejsu mózg-komputer dla ciężkiego paraliżu u 4 pacjentów,” JAMA Neurology, vol. 80, nr 3, s. 270, marzec 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.

8. Q. He et al., „Nebula mózgowa: minimalnie inwazyjny interfejs mózg-komputer przez endowaskularne nagrywanie i stymulację neuralną,” Journal of NeuroInterventional Surgery, s. jnis-021296, luty 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.

9. R. P. N. Rao, „Pół-inwazyjne BCI,” 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, „Przegląd możliwości użycia konsumenckich urządzeń EEG w badaniach,” bioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory), grudzień 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.

11. D. Pawuś i S. Paszkiel, „Kontrola wózka BCI z użyciem systemu ekspertowego klasyfikującego sygnały EEG na podstawie oszacowania widma mocy i wykrywania tików nerwowych,” Applied Sciences, vol. 12, nr 20, s. 10385, październik 2022, doi: 10.3390/app122010385.