뇌 컴퓨터 인터페이스 소개 (1)

뇌 컴퓨터 인터페이스

 

BCI (Brain-Computer Interface)는 뇌와 다양한 기계 간의 통신을 허용하는 시스템이다. BCI는 세 가지 주요 단계로 작동한다.

 

뇌 신호 수집 뇌 신호 해석 뇌 신호에 따라 연결된 기계에 명령 출력

 

BCI는 뉴로피드백, 마비 환자의 운동 기능 회복, 갇힌 환자와의 의사 소통 허용, 감각 처리 개선 등 다양한 작업에 적용할 수 있다. BCI는 뇌 신호를 수집하는 데 사용되는 방법에 따라 세 가지 범주로 나눌 수 있다.

 

뇌 신호 측정 기술

 

뇌 신호를 측정하는 다양한 기술이 있다. 그것들을 비침습, 반침습 및 침습으로 나눌 수 있다.

 

비침습 (Non-invasive)	센서를 두피에 부착하여 뇌 (EEG) 또는 자기장 (MEG)에서 생성되는 전위를 측정다.
반침습 (Semi-invasive)	전극은 뇌의 노출된 표면 (ECoG)에 배치다.
침습 (Invasive)	미세 전극은 피질에 직접 배치되어 단일 뉴런의 활동을 측정한다.

 

다음 이미지는 뇌의 여러 층과 신호가 어디에서 오는지를 보여준다.

 

 

비침습성 (Non-invasive) : 두피에 전극을 대고 가장 바깥쪽에 있는 EEG 신호를 받는다. 반침습성 (Semi-invasive) : ECoG 신호는 경막 또는 거미막에 배치된 전극에서 가져온다. 침습성 (Invasive) : Intraparenchymal 신호를 직접 받아 피질에 전극을 이식한다.

 

침습 (Invasive)

 

침습적 유형의 BCI는 신경외과 수술 중에 뇌에 직접 이식된다. 뇌세포의 단일 영역에서 신호를 감지하는 단일 단위 BCI와 여러 영역에서 감지하는 다중 단위 BCI가 있다. 전극은 MEA에서 최대 1.5mm (Utah, Blackrock Microsystems) 또는 10mm (FMA, MicroProbes)와 같이 길이가 다르다. 신호 품질은 가장 높지만 절차는 흉터 조직 형성 위험과 같은 몇 가지 문제가 있다. 신체는 이물질에 반응하여 전극 주변에 흉터를 만들어 신호를 악화시킨다. 신경외과는 위험하고 비용이 많이 드는 과정이기 때문에 침습적 BCI의 대상은 주로 맹인 및 마비 환자이다.

 

반침습 (Semi-invasive) : ECoG

 

Electrocorticography는 노출된 뇌 표면에 전극을 배치하여 대뇌 피질의 전기적 활동을 측정한다. 1950년대에 Montreal Neurological Institute에서 처음으로 사용되었다. 반침습적이라고 하지만 전극을 이식하려면 여전히 개두술이 필요하다. 이러한 이유로 의학적 이유로 수술이 필요한 경우에만 사용된다 (ex: 간질).

 

전극은 경막 외부 (경막외) 또는 경막 아래 (경막하)에 배치될 수 있다. 스트립 또는 그리드 전극은 피질의 넓은 영역 (4개에서 256개 전극)을 덮으므로 다양한 범위의 인지 연구를 허용한다.

 

Yang et al., Neuroimage, 2012

 

그림에서 신경해부학적 구조에 대한 신경생리학적 활성의 정확한 일치를 허용하기 위해 오버레이된 전극 (빨간색 : 그리드 어레이, 파란색 : 스트립 어레이)으로 환자 뇌의 MRI를 재구성한다.

 

 

ECoG의 긍정적인 특성은 다음과 같다.

 

높은 공간 분해능 및 신호 충실도 소음에 대한 저항 긴 기록 기간 동안 낮은 임상 위험 및 견고성 더 높은 진폭

 

ECoG : 공간 해상도 (Spatial resolution)

 

EEG에 비해 ECoG의 이점은 신호가 두피에 도달하기 위해 이동할 필요가 없기 때문에 공간 분해능이 훨씬 더 높다는 것이다. ECoG의 공간 분해능은 mm의 1/10이지만 EEG에서는 cm이다.

 

공간 해상도는 비유적으로 이미지의 선명도를 취할 수 있다. 공간 해상도가 높은 사진은 더 선명하다. 즉, 인치당 더 많은 픽셀로 구성되어 더 많은 세부 사항을 보여주기 때문에 더 정확해 보인다. 공간 해상도가 낮은 그림은 인치당 더 적은 수의 픽셀로 구성되어 있기 때문에 덜 선명하거나 더 흐릿하게 나타난다. 더 나은 공간 분해능을 통해 신호가 어디에서 오는지 더 정확하게 이해할 수 있다. EEG의 경우 전기 신호가 두개골을 통과할 때 뼈의 낮은 전도성으로 인해 감쇠된다.

 

ECoG : 소음에 대한 저항

 

ECoG 신호는 근전도 (EMG : 근육 움직임으로 인해 발생) 및 안전도 (EMG : 눈 움직임으로 인해 발생)와 같은 노이즈 및 인공물의 영향을 받지 않는다.

 

ECoG : 낮은 임상 위험

 

전극 어레이는 피질에 침투할 필요가 없으므로 침습적 기록보다 안전하다.

 

ECoG : 높은 진폭

 

ECoG 기록은 최대 50–100 µV 대 10–20 µV이다. BCI에서 ECoG의 사용에 대한 다양한 연구가 있었지만, 모두 간질 초점을 제거하기 위해 수술이 필요한 경우에 국한되었다.

 

예를 들어, 한 연구에서 ECoG를 사용하여 2차원에서 컴퓨터 커서를 제어했다. 간질 수술을 준비하는 5명의 환자는 7-14일 동안 전극의 경막하 배열을 이식했다. 30분 미만의 짧은 훈련 후 환자는 2차원에서 커서를 제어할 수 있었으며 평균 성공률은 53-73%이다.

 

비침습 (Non-invasive)

 

뇌를 연구하는 데 사용되는 몇 가지 비침습적 기술이 있으며, 비용과 하드웨어 이식성 때문에 EEG가 가장 일반적으로 사용된다.

 

MEG : 자기뇌조영술 PET : 양전자 방출 단층 촬영 fMRI : 기능적 자기공명영상 fNIRS : 근적외선 분광법 EEG : 뇌파 검사

 

다음 그림에서 공간 및 시간 해상도로 비교한 다양한 뇌 영상 기술을 볼 수 있다.

 

 

 

http://learn.neurotechedu.com/introtobci/

Intro to Brain Computer Interface