개요
BCI (Brain Computer Interface)
뇌 신호를 캡처한 다음 컴퓨터로 보내면, 신호가 처리되고 기계 학습 기술로 해독되어 출력이 결정됩니다.
이 기술을 이용하면, 무궁무진한 것들을 이룰 수 있습니다.
출처: BBC - youtube
생각해 보세요. 당신의 생각대로 움직이는 로봇 팔, 생각만으로 문자를 보내는 마비 환자들 등 끝없는 적용과 진화를 통해 사람들의 삶을 뒤바꿔 놓을 수 있는 기술입니다.
예를 들어, 최근 연구에서는 손글씨 문자를 상상하는 뇌 신호를 해독해 마비된 환자의 타이핑 속도를 건강한 참가자와 비슷한 수준으로 높이는 시도를 하고 있습니다! 아직 조금 남았지만, 미래가 기대되죠.
다섯 파트로 나눠 공부해보겠습니다.
1.
소개
신경과학의 기초, BCI란? 어떤 device를 써야할까?
2.
데이터 수집
실험 설계, 어떤 데이터를 어떻게 모을까?
3.
전처리
noise filtering, outlier detection, feature engineering
4.
머신러닝
머신 러닝 모델로 실험해보고, 가장 좋은 모델을 찾자!
5.
모델 적용해보기
실시간 예측에 모델을 사용하고, 전망을 살펴보자
다음과 같은 기초 지식이 필요합니다.
•
기본적인 프로그래밍 능력 (여기서는 python을 사용하나, 다른 언어도 가능)
•
데이터 분석 / 머신러닝에 대한 기초 지식
1. 소개
BCI에 대해서 알아봅시다
Brain-computer Interface는 시작된지 몇십년은 된 분야입니다.
BCI를 사용하면 두뇌 활동과 컴퓨터가 서로 상호 작용하도록 만들 수 있습니다. 그러나 최근에야 머신러닝, 하드웨어의 발전으로 인해 유용한 응용 프로그램을 위한 뇌 신호 해독을 개선하기 위한 중요한 단계가 이루어졌습니다.
또한, 대부분의 기술 분야의 대기업들이 이 분야에 뛰어들겠다 선언했습니다. 2017년 Elon Musk의 Neuralink, 그로부터 몇 주 후 Meta(Facebook) 또한 BCI에 참여함을 선포했습니다.
BCI는 뇌 활동을 측정하는 것에서 시작됩니다. 뇌 활동의 의미는 아래에서 설명할 방법과 방법에 따라 다릅니다.
사용되는 방법은 크게 침습적(invasive)와 비침습적(non-invase) 두 가지 범주로 분류됩니다.
침습적 방법에는 전극을 뇌 표면에 직접 삽입하는 방식과(예: ECoG) 뇌 조직에 직접 이식하는 방법이 있습니다. 이 모든 방법은 전기 활동(전압 변동)의 형태로 뇌 활동을 측정합니다. 뇌가 이러한 전기 신호를 생성하는 방법과 이유는 아래 신경 과학 섹션에서 설명합니다.
ECoG
전기 피질 검사(Electrocorticography)
다음 그림에서 볼 수 있듯 뇌의 노출된 표면에 직접 전극을 배치합니다.
높은 정밀도를 얻도록 하지만 뇌의 적은 영역만을 커버할 수 있습니다.
sEEG
입체 뇌파 검사(Streoelectroencephlography).
최소 침식적 기법 입니다. ECoG의 경우 두개골의 대부분을 개방해야 하는 반면, sEEG의 경우 다음 그림에서 볼 수 있듯이 뇌로 들어가는 10~20개의 작은 절개만 만드면 됩니다.
출처: researchgate.net
침습적 방식은 구현하기가 복잡하며, 신체가 거부한다거나 뇌에 충격을 준다더나 등의 부작용이 있을 수 있습니다.
비침습적 방식은 장치는 환자의 두개골을 관통지 않습니다. 그저 피부 위에 놓습니다.
수술이 필요하지 않기 때문에 이러한 방법이 환자에게 훨씬 덜 영향을 미칩니다. 허나 실제 신호와 함께 제공되는 많은 노이즈의 양 덕분에 정확도가 떨어집니다. 다행히도 이런 잡음을 줄이고자 하는 많은 노력 덕에 노이즈를 제거하고 실제 신호를 디코딩하는 기술이 점점 발전하고 있습니다.
비침습적 방법의 예로는 EEG 및 fNIRS가 있습니다.
EEG
뇌파 검사(Electro EncephaloGraphy)
가격이 저렴하기에 실험 등에서 인기가 높습니다. sEEG와 마찬가지로 전압 변동은 전극에 의해 두개골의 다른 부분에서 측정됩니다. 뉴런까지의 거리가 멀기 때문에 EEG는 개별 뉴런이 아닌 활성 뉴런의 큰 그룹을 더 많이 측정하며 sEEG는 이를 조금 더 확대하고, ECoG는 여기서 훨씬 더 확대합니다.
fNIRS
기능적 근적외선 분광법(Functional Near-InfRared Spectroscopy)
이 방법은 적외선을 사용하여 뇌를 통해 이동하는 혈액의 헤모글로빈 변화를 측정합니다. 스마트 워치에서 손목의 심박수를 측정하는 것과 유사합니다. 이 기술을 사용하는 대표적인 회사는 Kernel입니다.
현재 가장 많이 사용되는 방식은 바로 EEG입니다.
최근 몇년간 장비의 계속되는 발전 덕분에 싸고, 사용과 제작이 간편하며 부작용도 덜하게 되었습니다.
특히 취미로 사용하기에는 정말 더할 나위가 없죠.
자, 이제 EEG에 집중합시다. 어떤 EEG 장치를 선택해야 할까요?
알맞은 BCI 기기 고르기
출처: brainproducts
옆 그림처럼 32/64/128 채널 전극 시스템을 사용하는 EEG 장치를 본 적이 있을 것입니다. 이런 장치의 가격은, 음… 상상 이상입니다. (over $25,000). 또한 이러한 장치에는 기계에 연결된 케이블과 장치들이 있죠. (무선이 아닙니다)
취미 프로젝트에는 정말 적합하지 않아보입니다. 그치만 다행히도 200~850$ 선으로 저희에게 더 적합한 장비들이 있습니다.
겁먹지 마세요! 꼭 사라는게 아닙니다! ㅋㅋ
OpenBCI는 약 $1200에 8채널 EEG 장치 패키지를 제공합니다.
Emotiv는 또한 $300에서 $850의 가격으로 EEG 장치를 제공합니다.
최초의 customer EEG 장치 중 하나는 NeuroSky였으며 이 장치는 가격이 약 $200로 가장 저렴했습니다.
그러나 이 장치는 1채널만 사용합니다. 좀 낮죠.
참고한 블로그에서는 결국 Muse 2를 구입했다고 합니다. 270달러에 5개의 전극이 있고, 쉽게 시작할 수 있으며 Mind Monitor 모바일 응용 프로그램을 사용하여 컴퓨터로 쉽게 데이터를 전송할 수 있습니다.
또한 여전히 저렴합니다.
Muse 장치에 대해 좀 더 설명하겠습니다.
출처: muse 2
이 헤드셋에는 5개의 건조 전극(dry electrodes)이 있습니다.
이 건조 전극은 피부와 전극 사이에서 전도체 역할을 하는 단일 금속으로 구성됩니다.
피부와 전극 사이에 땀이 있으면 연결에 도움이 됩니다.
습식 전극(wet electrodes)도 존재하며, 이는 피부와 전극 사이에 젤 재료를 도체로써 사용합니다.
건식 전극은 젤을 사용하지 않기에 사용에 더 편리한 면이 있습니다.
이 배치는 10-20 System에서 유래하였습니다. 이는 다양한 주제에 걸쳐 EEG 결과를 비교하기 위해 개발된 표준화된 테스트 메소드입니다.
기본적으로, nasion(코 위에 있음)에서부터 두개골 뒤쪽의 inion까지 수직선을 그리는 것으로 시작합니다. 또한 귀에서 귀로 수평선도 그려집니다.
모든 위치들은 기본 뇌 구조에 따라 코딩되었습니다.
배치의 이름은 10–20 시스템에서 유래되었으며, 이는 다양한 주제에 걸쳐 EEG 결과를 비교하기 위한 표준화된 테스트 방법을 위해 발명된 시스템입니다.
기본적으로 코 위의 나시온에서 두개골 뒤쪽의 이니온까지 수직선을 그리는 것으로 시작합니다. 또한 귀에서 귀까지 수평선이 그려집니다.
그런 다음 모든 포인트는 해당 라인을 가로질러 10% 또는 20% 거리로 나뉘며 이러한 포인트 사이에는 동일한 규칙 세트로 추가 포인트가 추가됩니다.
그런 다음 포인트는 기본 뇌 구조의 기능에 따라 코딩됩니다: 전두엽(Fp), 전두엽(F), 측두엽(T), 두정엽(P), 후두엽(O) 및 중추(C). 아래에서 논의하십시오.
그런 다음 뇌의 왼쪽 부분은 홀수, 오른쪽 부분은 짝수를 얻습니다. 중간 부분에는 '0'을 의미하는 Z가 있습니다.