Beyin-Bilgisayar Arayüzü ve Giyilebilir Teknolojiler

Beyin-bilgisayar arayüzleri (BBA), insan beyni ile harici cihazlar arasında doğrudan iletişimi sağlayan teknolojilerdir. Geleneksel olarak, yüksek zaman çözünürlüklü beyin aktivitesine olağanüstü hassasiyet sağlamak için ıslak elektrotlar kullanılmıştır; ancak son zamanlarda çeşitli sensörlerin kullanılabilirliğinin artması, yüksek kalitede beyin sinyallerini geniş bir klinik ve günlük ortamda tespit etmek için kullanılmaktadır. Bu biyoalgılama nöroteknolojilerinin gelişimi ve bunları gerçek dünya uygulamalarında kullanma isteği, gelecek on yıllarda artırılmış BBA'lar (ABBA'lar) geliştirme fırsatına yol açmıştır. Bir ABBA, günlük ortamlarda beyinden sinyal kaydeden biyosensörlere dayalı bir BBA'ya benzer; sinyaller daha sonra gerçek zamanlı olarak insan davranışını izlemek için işlenir.

Beyin aktivitesini izlemek için kullanılan birçok görüntüleme teknolojisi bulunmaktadır, ancak bu teknolojilerin bazı dezavantajları vardır. Örneğin, fMRI ve PET gibi teknolojiler güçlü araçlar olsa da büyük ve kullanışsızdır. Mevcut tüm görüntüleme yöntemleri arasında EEG, günlük ortamlarda kullanım potansiyeli açısından en yakın dönemde uygulama olanağı sunar. EEG, beyin aktivitesinin dinamiklerini doğrudan yansıtarak yüksek zaman çözünürlüğü sağlayabilen güçlü bir tekniktir ve tıbbi teşhislerden nörobiyolojik araştırmalara kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir. EEG tabanlı BBA teknikleri, beyin aktivitesinden gelen sinyalleri elde eder, işler ve sonra makine kodlarına veya komutlara çevirerek beyin ile dış dünya arasında doğrudan iletişim sağlar.

Kafa derisi üzerine yerleştirilen elektrotlar aracılığıyla beyin elektrik aktivitesini ölçen invazif olmayan EEG tabanlı BBA'lar, insan beyninin harici cihazlarla iletişim kurma yöntemi olarak kullanılabilirliği kanıtlamıştır. Diğer mobil görüntüleme yöntemleriyle karşılaştırıldığında, başın dışına takılabilen ve çıkarılabilen bu invazif olmayan cihazların kullanılabilirliği ve güvenilirliği, EEG sinyallerinin BBA'lar için en yaygın yaklaşım haline gelmesini sağlamıştır. Son yıllarda EEG sensörleri ve algılama devre tasarımları, çeşitli fizyolojik sinyalleri ölçmek için taşınabilir çoklu modlu cihazlara sensör entegrasyonunu mümkün kılmıştır. Geleneksel ıslak elektrotlar EEG sinyallerini ölçmek için en sık kullanılanlardır. Doğru cilt hazırlığı ve iletken jellerin kullanılmasıyla ıslak elektrotlarla ölçülen EEG sinyalinin kalitesi mükemmeldir. Ancak, ıslak elektrotların kullanımı, günlük kullanım için uzun bir kurulum ve hazırlık süresi gerektirmesi ve kullanıcının saçına elektrolit uygulamasına dayanması nedeniyle BBA'ların uygulanabilirliğini büyük ölçüde sınırlamaktadır. Sensör teknolojilerindeki son çabalar, sistemin kullanılabilirliğini dramatik bir şekilde artırma potansiyeli olan kuru sensörlerin gelişiminde ilerleme kaydetmiştir. Bu gelişmeler, sinyal işleme tekniklerindeki ilerlemelerle birleşerek, mobil beyin görüntüleme ve günlük yaşamın birçok yönünü etkileyen yeni BBA kavramlarını mümkün kılmaktadır. Mevcut araştırma hızıyla, yakın gelecekte yeni EEG tabanlı ABBA cihazlarının, günlük uygulamalar için yeni, yüksek kullanılabilir, rahat, sağlam ve invazif olmayan sensörlere sahip olması beklenmektedir.

Nano-ve Mikroteknoloji Sensörleri

Nanoelektronik cihaz teknolojisi, yeni nesil elektroniklerin geleceği için umut vadeder ve esnek, şeffaf ve giyilebilir yüksek performanslı elektronikler, akıllı bandajlar, optoelektronikler, yonga üzerinde elektronik-optik bağlantı, radyasyona dayanıklı elektronikler ve taşınabilir sensör platformları için iletişim ve işleme elektronikleri geliştirme yoluyla ilerlemeye yol açar. Gelecekte, vücut üzerinde giyilen sensörler arasında bilgi aktarımını sağlayacak aktif, kısa menzilli iletişim, spin-tork nanoosilatörleri (STNO'lar) tarafından mümkün hale getirilebilir. Bu cihazlar manyetik hafıza uygulamaları için bir teknoloji olarak aktif bir şekilde araştırılmaktadır ve aynı zamanda minyatür frekans esnekliği sağlayan radyo frekansı (RF) kaynakları ve hassas manyetik alan dedektörleri olarak da kullanılabilirler. Örneğin, havadan mikrodalga radyasyonunun çok düşük güç tüketimi (250 pW) en az dört oktav frekansta geniş frekans esnekliği ile iletilmesi, giyilebilir sensör teknolojileri için yeni bir düşük güçlü kablosuz iletişim sınıfını mümkün kılar. Kertenkelelerin ayak yapılarını taklit eden biyo-esinlenmiş nanoteknolojiler, mm ila cm ölçekli robotik platformların yüzeylerde gezinmesini sağlamak için tasarlanmış tersine çevrilebilir yapışkan cihazlar olarak geliştirilmektedir ve gelecekte EEG sensörleri için biyolojik uyumlu kuru elektrot yapışkanlarına uygulanabilir olabilir. Olgunlaşan mikro ve nanoelektromekanik sistem (MEMS/NEMS) teknolojileri, yeni tür aktüatör cihazları, taktiler ve durum ölçüm cihazları için umut vadeder. Gelecekte karbon temelli veya diğer biyolojik uyumlu nanometre ölçekli algılama teknolojilerinin, kan damarlarına enjekte edilebileceği, kan-beyin bariyerini geçebileceği, belirli nöronlara veya hücrelere bağlanabileceği, istenen sinyalleri algılayabileceği ve bu sinyalleri sağlam kafatası üzerinden harici bir alıcıya iletebileceği hayal edilebilir.

Güncel ABBA Uygulamaları

Islak elektrotlar kendi okuma devre sistemlerine sahiptir ve klinik uygulamalar için güvenilirdir. Kuru temas elektrotları için günlük kullanım için uygun bir okuma cihazı geliştirmek önemlidir. Kuru elektrotlu cihazlar, geleneksel ıslak elektrotlara sahip EEG sistemlerinden daha kullanışlı ve rahattır  ve bu nedenle günlük uygulamalarda daha pratiktir. Kuru/temas olmayan EEG cihazlarının klinik uygulamalar için önerilmediği veya kullanılmadığı unutulmamalıdır. Birçok ticari cihaz, eğlence (Neurosky, Emotiv, StarLab, EmSense ve nia Oyun Kumandası) ve kişisel uyku durumunu izleme (MyZeo) için EEG ölçümlerini kullanmaktadır, aşağıdaki şekillerde gösterildiği gibi. Bu figürler, kuru elektrotlu taşınabilir EEG cihazlarının geliştirilmesinin mobil insan beyin görüntüleme için önemli bir hedef haline geldiğini göstermektedir.

Son zamanlarda, Lin ve arkadaşları, günlük kullanım için giyilebilir, kablosuz bir EEG cihazı (Mindo) önerdi. 4 kanallı köpük elektrotlarına sahip Mindo 4 EEG cihazı, alın sensör bölgelerinden gelen sinyallere dayanarak kullanıcının zihinsel odaklanma durumuna göre oyunları kontrol etmek için güvenilir olduğunu kanıtladı. Cihaz ayrıca uyku sırasında EEG durumunu kaydetme potansiyeline sahiptir. Lin ve arkadaşları tarafından özellikle saçlı bölgelerde EEG sinyallerini kablosuz ölçmek için tasarlanan Mindo 16 adlı çoklu kanallı bir EEG cihazı da, ilgili kuru sensörlerin saçın üzerinden baş derisine ulaşma potansiyeline sahiptir. Kuru/temas olmayan elektrotlar kullanarak gerçekten giyilebilir, kablosuz bir EEG cihazı geliştirmek ve bu tekniğin sınırlarını temel araştırmadan klinik uygulamalara genişletmek şüphesiz önemli hedeflerdir. Gelecekteki cihazların son derece arzu edilen özellikleri arasında, kuru elektrotlar kullanırken okuma devre boyutunun minimize edilmesi ve kolay hazırlama yer almaktadır.

Gelişmiş Biyoalgılama Teknolojisine Dayalı Gelecekteki ABBA Uygulamaları

Oyun kontrolü, ev bakımı ve rehabilitasyon mühendislik uygulamaları, gelecek on yıllarda ABBA'ların potansiyel gelecekteki uygulamalarıdır. ABBA uygulamaları oyun için bu teknolojinin ana odaklarından biridir ve mevcut prototipler, ABBA tarafından kontrol edilen oyunların uygulanabilirliğini göstermektedir. Yakın gelecekte, beynin nöron etkileşimlerinin bilişsel ilgiyi yorumlayabilen yeni EEG sensörlerine sahip bir EEG tabanlı BBA cihazının mevcut ve güvenilir hale gelebileceği mümkün görünmektedir. ABBA'lar için başka bir olası gelecek trendi, ev bakımı ve rehabilitasyon uygulamalarında kullanılabilecek uzaktan izleme olabilir. Yaşlılar ve hastalar genellikle hastanede olmaktansa kendi evlerinde yaşamayı tercih ederler, ancak yalnız yaşam, düşme ve epileptik nöbetler gibi öngörülemeyen kazalar nedeniyle tehlikeli olabilir. Uzaktan algılama ve izleme, kullanıcının EEG sinyallerini uzaktan izlemenin mümkün olmasını sağlar. EEG tabanlı ABBA'lar yakın gelecekte depresyon ve şizofreni gibi birçok psikolojik ve kranial sinir hastalığına yardımcı olabilir.

Kaynak:

C.-T. Lin, L.-W. Ko, J.-C. Chiou, J.-R. Duann, R.-S. Huang, T.-W. Chiu, S.-F. Liang, and T.-P. Jung, BNoninvasive neural prostheses using mobile and wireless EEG,[ Proc. IEEE, vol. 96, pp. 1167–1183, 2008.

Liao, Lun-De & Lin, Chin-Teng & McDowell, Kaleb & Wickenden, Alma & Gramann, Klaus & Jung, Tzyy-Ping & Ko, Li-Wei & Chang, Jyh-Yeong. (2012). Biosensor Technologies for Augmented Brain–Computer Interfaces in the Next Decades. Proceedings of the IEEE. 100. 10.1109/JPROC.2012.2184829.