Hướng Dẫn Về Thiết Bị Giao Diện Não-Máy Tính

Cảm ơn các dự án lớn như Neuralink của Elon Musk, giao diện não-máy tính (BCI) đã thu hút sự chú ý toàn cầu trong những năm gần đây. Tuy nhiên, bạn có thể bất ngờ khi biết rằng công nghệ BCI đã tồn tại hơn bốn thập kỷ và bạn không cần phẫu thuật để tạo ra các dự án "điều khiển bằng tâm trí" của riêng mình.

EMOTIV đã ra mắt vào năm 2011, trình bày chiếc tai nghe EEG không dây đầu tiên của mình như một thiết bị chơi game BCI cách mạng. Kể từ đó, công nghệ đã tiến bộ đáng kể cùng với các thuật toán học máy và cảm biến sóng não được cải thiện. Ngày nay, những người mê BCI vẫn tìm đến EMOTIV cho nhu cầu dự án giao diện não-máy tính của họ.

Dù bạn là người mới bắt đầu hay một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm, thế giới BCI mang đến những cơ hội thú vị cho sự đổi mới và khám phá. Đây là hướng dẫn về các thiết bị giao diện não-máy tính để giúp bạn hiểu và tiếp cận thế giới hấp dẫn này.

Hiểu biết về Công nghệ Giao diện Não-Máy Tính

Công nghệ giao diện não-máy tính (BCI) cho phép giao tiếp trực tiếp giữa não và các thiết bị bên ngoài. Về mặt kỹ thuật, bất kỳ thiết bị nào đọc tín hiệu não đều là BCI. Gần đây, thuật ngữ này chủ yếu được sử dụng để mô tả các BCI cho phép bạn “điều khiển bằng tâm trí” các thiết bị. Công nghệ tương tự giúp hiểu chức năng não có thể dịch tín hiệu não thành lệnh cho các nhiệm vụ khác nhau, bao gồm điều khiển con trỏ máy tính, di chuyển các chi giả, và tạo ra trải nghiệm chơi game tương tác. Công nghệ BCI đang mang lại hy vọng mới cho những người không thể sử dụng chi của họ, bên cạnh những nhà sáng tạo và người đam mê bình thường ở mọi nơi.

Vì “BCI” đã trở thành một từ khóa trong thời đại hiện nay, điều quan trọng là phân biệt giữa các loại thiết bị giao diện não để giảm bớt sự nhầm lẫn và để người tiêu dùng và các tổ chức có thể chọn thiết bị BCI phù hợp với họ.

Các Thiết Bị BCI: Phẫu Thuật vs. Tai Nghe

Hiện tại có hai loại thiết bị giao diện não-máy tính khác nhau; loại cấy vào não và loại đọc tín hiệu não từ da đầu (Hình 1). Dưới đây là những điểm khác biệt.

Hình 1. Phân loại các công nghệ thu nhận tín hiệu BCI. (a) là sơ đồ phân loại của chiều phẫu thuật, bao gồm ba cấp độ: không xâm lấn, xâm lấn tối thiểu và xâm lấn. (b) cho thấy sơ đồ phân loại của chiều phát hiện, bao gồm ba cấp độ: không cấy ghép, can thiệp và cấy ghép. [1]

Gây mê nội sọ (Xâm lấn)

Điện não đồ nội sọ (iEEG) cấy điện cực trực tiếp bên trong đầu của một người. Điều này cho phép các bác sĩ có được tín hiệu điện rõ ràng cho nghiên cứu, phát hiện và điều trị. Các cấy ghép não có thể đọc dữ liệu, kích thích não, hoặc cả hai. Các ứng dụng bao gồm nhưng không giới hạn, đánh giá các cơn co giật động kinh [2], điều trị bệnh tâm thần [3], vượt qua chứng liệt, cho phép chuyển đổi từ tư duy sang văn bản hoặc tư duy sang lời nói (Hình 2) và thậm chí phục hồi thị lực [4][5]. 

Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ định nghĩa các thiết bị BCI cấy ghép là “các thiết bị neuroprostheses kết nối với hệ thần kinh trung ương hoặc ngoại biên để phục hồi khả năng vận động và/hoặc cảm giác bị mất ở những bệnh nhân bị liệt hoặc cụt chi” [6].

Hình 2. Casey Harrell, người mắc bệnh ALS, nói lại với sự trợ giúp của một cấy ghép BCI thông qua thử nghiệm lâm sàng BrainGate. (Credit: UC Regents)

Gây mê nội sọ (Xâm lấn tối thiểu)

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với các phương pháp ít xâm lấn hơn để đọc thông tin trực tiếp từ não. Một phương pháp là nội mạch (Hình 3), gửi các điện cực đến não thông qua một stent qua hệ thống mạch máu [7][8].

Phương pháp khác được gọi là điện não đồ (ECoG), yêu cầu cấy điện cực dưới xương sọ, hoặc dưới màng cứng (ECoG dưới màng cứng) hoặc bên ngoài màng cứng (ECoG ngoài màng cứng). Thủ tục này có tính xâm lấn nhưng ít hơn so với các cấy ghép BCI truyền thống [9].

Hình 3. A, Sơ đồ của giao diện não-máy tính BCI cấy ghép toàn bộ. Một thiết bị có các điện cực được cấy ghép trong mạch máu tĩnh mạch sọ trên (hình nhỏ) và kết nối với một đơn vị truyền nhận cấy ghép (IRTU) trong túi dưới da. IRTU giao tiếp với một đơn vị thu nhận bên ngoài (ERTU), chuyển tiếp tín hiệu đến một đơn vị kiểm soát tín hiệu để điều khiển một máy tính xách tay hoặc máy tính bảng. B, BCI với bộ theo dõi mắt để điều khiển máy tính. Theo dõi mắt được sử dụng để di chuyển con trỏ, và BCI được sử dụng để nhấp. C, BCI không có theo dõi mắt để điều khiển máy tính. Một máy quét mục tiêu làm nổi bật các mục theo thứ tự, và BCI được sử dụng để nhấp một mục khi nó được làm nổi bật [7].

BCI không xâm lấn (Tai nghe EEG)

Hình 4. John tham gia BCI4Kids, một chương trình giúp trẻ em khuyết tật tương tác với môi trường của họ bằng cách sử dụng giao diện não-máy tính. Bạn có thể thấy tác phẩm nghệ thuật năng lượng não của John TRÊN ĐÂY.

Các thiết bị BCI không xâm lấn sử dụng các điện cực để đọc tín hiệu điện qua da đầu của một người. Quá trình này từ trước đến nay đã bị giới hạn trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng sự ra đời của các thiết bị EEG không dây, đạt chuẩn nghiên cứu đã cho phép đọc sóng não chính xác ở bất cứ đâu (Hình 4).

Hiện tại, có hàng chục tai nghe BCI không xâm lấn trên thị trường—nhiều trong số đó được thiết kế với một mục đích cụ thể, chẳng hạn như giám sát giấc ngủ hoặc tập trung. Giá cả có thể dao động từ vài trăm đô la đến hàng trăm ngàn. EMOTIV cung cấp dải sản phẩm BCI không dây đa dụng và giá cả phải chăng nhất, từ hai cảm biến lên đến 32, được sử dụng bởi các nhà thần kinh học, sinh viên, giáo viên, nhà sáng tạo, game thủ, người đam mê và nghệ sĩ trên toàn cầu. 

Theo một cuộc kiểm toán năm 2022 của các bài báo đã được đánh giá đồng cấp [10], EMOTIV là thiết bị EEG tiêu dùng được sử dụng nhiều nhất (67.69%) cho nghiên cứu khoa học. Các nhà nghiên cứu tin tưởng vào EMOTIV nhờ vào hiệu suất được kiểm chứng khoa học, giá cả phải chăng so với thiết bị phòng thí nghiệm EEG truyền thống và tính linh hoạt. Chiếc tai nghe EMOTIV giống nhau được sử dụng trong một phòng thí nghiệm đại học để thực hiện nghiên cứu đột phá về bộ não con người có thể được chia sẻ với bộ phận âm nhạc cho một buổi biểu diễn BCI, sau đó được chuyển cho bộ phận tâm lý học để học tập thực hành, và chia sẻ với một câu lạc bộ BCI sinh viên để thi đấu các loại drone điều khiển bằng não. 

Thiết Bị BCI EMOTIV

Tại EMOTIV, chúng tôi có các thiết bị BCI không dây cho cả người mới bắt đầu và người dùng có kinh nghiệm.

Trên đây: Một chiếc xe lăn được điều khiển bằng EMOTIV FLEX như một thiết bị BCI [11].

Trên đây: Một sinh viên sử dụng EPOC X và bảng mạch Arduino để điều khiển một cánh tay robot. (Nguồn: Matt Su)

Trên đây: Một sinh viên tại Đại học Florida đeo thiết bị BCI EMOTIV Insight để điều khiển một chiếc drone. (Nguồn)

Hình 5. Game thủ Twitch Perrikaryal thành công sử dụng thiết bị đeo não EMOTIV MN8 2 kênh để điều khiển một trò chơi Halo bằng BCI.

Bắt đầu với Dự Án BCI của Bạn

Tôi Sử Dụng BCI Như Thế Nào?

Bạn cần năm yếu tố cơ bản để bắt đầu dự án BCI của mình.

1. Một mục tiêu rõ ràng

2. Thiết bị thu tín hiệu, chẳng hạn như một tai nghe EEG từ EMOTIV

3. Phần mềm xử lý tín hiệu, chẳng hạn như EmotivBCI.

4. Các lệnh BCI đã được phân công (một số kinh nghiệm lập trình yêu cầu)

5. Truy cập vào thiết bị bạn muốn điều khiển thông qua SDK, bảng mạch Arduino, v.v.

6. Một thiết bị để nhận lệnh BCI

Chọn Thiết Bị BCI Đúng

Chọn thiết bị BCI phù hợp là điều quan trọng cho sự thành công của dự án của bạn. Dưới đây là một số điểm chính cần xem xét:

Dễ sử dụng: Tìm kiếm một thiết bị thân thiện với người dùng và dễ thiết lập, đặc biệt nếu bạn là người mới bắt đầu. Các thiết bị BCI EMOTIV có thể được thiết lập trong vài phút với cảm biến khô, bán khô và muối.

1. Chức năng: Đảm bảo thiết bị cung cấp các tính năng và khả năng cần thiết cho dự án cụ thể của bạn. Các tai nghe EMOTIV là cảm biến toàn bộ não nhưng như một quy tắc chung, BCI hoạt động tốt hơn với nhiều cảm biến hơn. Theo logic đó, EMOTIV FLEX sử dụng lên đến 32 cảm biến cho khả năng cảm biến não tối đa, nhưng người dùng của chúng tôi thường thấy EPOC X hoặc Insight là đủ cho dự án và nghiên cứu BCI của họ. Các thiết bị đeo não MN8, trong khi đó, rất hoàn hảo cho phát triển ứng dụng di động BCI.

2. Vị trí cảm biến: Khi chọn tai nghe EEG, hãy cân nhắc nơi các cảm biến được đặt và cách điều đó ảnh hưởng đến nhu cầu của bạn. Ví dụ, một số thiết bị BCI trên thị trường chỉ có một cảm biến hoặc nhiều cảm biến chỉ nằm ở phía sau đầu. 

3. Cảm biến ướt vs. khô: Cân nhắc về sự thoải mái và chất lượng tín hiệu khi chọn thiết bị BCI, đặc biệt nếu bạn dự định đeo nó trong thời gian dài. Dung dịch muối thoải mái hơn gel, cảm biến bán khô dễ sử dụng hơn dung dịch muối, và cảm biến khô là tiện lợi nhất để sử dụng. So sánh chất lượng tín hiệu của các thiết bị EMOTIV.

4. Tính tương thích: Chọn một thiết bị tích hợp tốt với phần mềm và công cụ phần cứng hiện có của bạn. Nếu bạn muốn tích hợp BCI vào một hệ thống hiện có (drone, Spotify, Internet of Things, v.v.), hãy đảm bảo bạn có quyền truy cập SDK, API.

5. Hỗ trợ: Chọn một thiết bị từ một công ty cung cấp hỗ trợ tốt và có một cộng đồng người dùng gắn bó. EMOTIV cung cấp một Cơ sở Kiến thức rộng rãi và hỗ trợ khách hàng.

6. Dữ liệu và Quyền riêng tư: Quyền riêng tư thần kinh của bạn rất quan trọng. Đó là lý do tại sao ngay từ đầu, EMOTIV đã thiết kế việc thu thập dữ liệu EEG với sự chú ý tới quyền riêng tư. Xem cách EMOTIV bảo vệ dữ liệu não của bạn.

Kết luận

Bắt đầu một dự án BCI là một hành trình thú vị mang lại tiềm năng to lớn cho sự đổi mới và tác động. Dù bạn là một người mới bắt đầu hay một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm, EMOTIV cung cấp các công cụ và hỗ trợ cần thiết để bạn thành công. Với thiết bị BCI phù hợp và tầm nhìn rõ ràng, bạn có thể mở khóa những khả năng mới.

Khám phá các thiết bị và tài nguyên BCI của EMOTIV ngay hôm nay để bắt đầu làm việc trên dự án BCI của bạn. Tham gia cộng đồng các nhà đổi mới và nhà nghiên cứu đang định hình tương lai của tương tác người-công nghệ với công nghệ BCI.

Tham gia Cộng đồng Nhà phát triển của chúng tôi

Chia sẻ các dự án BCI của bạn với chúng tôi! Ghi lại #EMOTIV trên mạng xã hội hoặc gửi email tới hello@emotiv.com.

Cần thêm sự trợ giúp? LIÊN HỆ VỚI CHÚNG TÔI

Tài liệu tham khảo

1. Y. Sun et al., “Thu nhận tín hiệu của giao diện não-máy tính: Một đánh giá từ góc độ giao thoa y tế-kỹ thuật,” Nghiên cứu Cơ bản, tháng 4 năm 2024, doi: 10.1016/j.fmre.2024.04.011. Có sẵn: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824001559

2. P. S. Reif, A. Strzelczyk, và F. Rosenow, “Lịch sử của việc đánh giá EEG xâm lấn ở bệnh nhân động kinh,” Cơn co giật, vol. 41, pp. 191–195, tháng 4 năm 2016, doi: 10.1016/j.seizure.2016.04.006.

3. Trung tâm Thiết bị và Y tế Đồ họa, “Các thiết bị giao diện não-máy tính (BCI) cấy ghép cho bệnh nhân bị liệt hoặc cụt chi - Thử nghiệm không lâm sàng và các cân nhắc lâm sàng,” Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ, ngày 20 tháng 5 năm 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 và các cộng sự., “Kích thích não sâu phản hồi được hướng dẫn bởi điện sinh lý vùng bụng mà bớt đi chứng rối loạn ám ảnh một cách bền vững,” Neuron, vol. 112, no. 1, pp. 73-83.e4, tháng 1 năm 2024, doi: 10.1016/j.neuron.2023.09.034.

5. “Neuralink trên X: ‘Chúng tôi đã nhận được danh hiệu Thiết bị Đột phá từ FDA cho Blindsight. Hãy tham gia cùng chúng tôi trong nhiệm vụ mang lại thị lực cho những người đã mất. Đăng ký tham gia Danh sách Bệnh nhân và xem các vị trí tuyển dụng của chúng tôi https://t.co/abBMTdv7Rh’ / X,” X (Trước đây là 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, và D.-R. Chebat, “Giao diện não-máy tính để hỗ trợ người mù,” Frontiers in Human Neuroscience, vol. 15, tháng 2 năm 2021, doi: 10.3389/fnhum.2021.638887.

7. P. Mitchell và các cộng sự., “Đánh giá tính an toàn của một giao diện não-máy tính cấy ghép đầy đủ cho chứng liệt nặng ở 4 bệnh nhân,” JAMA Neurology, vol. 80, no. 3, p. 270, tháng 3 năm 2023, doi: 10.1001/jamaneurol.2022.4847.

8. Q. He và các cộng sự., “Nebula não: giao diện não-máy tính tối thiểu xâm lấn bằng cách ghi nhận và kích thích thần kinh qua nội mạch,” Journal of NeuroInterventional Surgery, p. jnis-021296, tháng 2 năm 2024, doi: 10.1136/jnis-2023-021296.

9. R. P. N. Rao, “BCI bán xâm lấn,” trong Sách điện tử của Cambridge University Press, 2013, pp. 149–176. doi: 10.1017/cbo9781139032803.012.

10. J. Sabio, N. S. Williams, G. M. McArthur, và N. A. Badcock, “Một bài đánh giá quét về việc sử dụng các thiết bị EEG tiêu dùng để nghiên cứu,” bioRxiv (Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor), tháng 12 năm 2022, doi: 10.1101/2022.12.04.519056.

11. D. Pawuś và S. Paszkiel, “Điều khiển xe lăn BCI sử dụng hệ thống chuyên gia phân loại tín hiệu EEG dựa trên ước lượng phổ công suất và phát hiện tics thần kinh,” Khoa học ứng dụng, vol. 12, no. 20, p. 10385, tháng 10 năm 2022, doi: 10.3390/app122010385.