De hersenmonitoringheadset van Cognixion maakt vloeiende communicatie mogelijk voor mensen met ernstige beperkingen

Van de velen Naast de frustraties die gepaard gaan met een ernstige motorische beperking, moet de moeilijkheid om te communiceren zeker tot de ergste behoren. De technische wereld heeft niet veel hulp geboden aan degenen die getroffen zijn door zaken als het Locked-in-syndroom, ALS en ernstige beroertes, maar de startup Cognitie streeft naar een nieuwe vorm van hersenmonitoring die, gecombineerd met een moderne interface, spreken en interactie veel eenvoudiger en sneller zou kunnen maken.

De Cognixion One-headset van het bedrijf volgt de hersenactiviteit op zo'n manier dat de drager een cursor – weerspiegeld op een vizier zoals een heads-up display – in meerdere richtingen kan sturen, of kan kiezen uit verschillende menu's en opties. Er is geen fysieke beweging nodig, en met behulp van moderne spraakinterfaces zoals Alexa kan de gebruiker niet alleen efficiënt communiceren, maar ook vrijelijk toegang krijgen tot allerlei soorten informatie en inhoud die de meeste mensen als vanzelfsprekend beschouwen.

Maar het is geen wondermachine en ook geen wondermiddel. Hier is hoe het begon.

Revisie van tientallen jaren oude hersentechnologie

Iedereen met een motorische beperking heeft verschillende behoeften en mogelijkheden, en er zijn verschillende ondersteunende technologieën die in veel van deze behoeften voorzien. Maar veel van deze technologieën en interfaces zijn jaren of decennia oud: medische apparatuur die niet is bijgewerkt voor een tijdperk van smartphones en snelle mobiele verbindingen.

Enkele van de meest gedateerde interfaces zijn helaas die welke worden gebruikt door mensen met de ernstigste beperkingen: degenen wier bewegingen beperkt zijn tot hun hoofd, gezicht, ogen – of zelfs een enkel ooglid, zoals Jean-Dominique Bauby, de beroemde auteur van ‘ De duikklok en de vlinder.”

Een van de hulpmiddelen in de gereedschapskist is het elektro-encefalogram, of EEG, waarbij activiteit in de hersenen wordt gedetecteerd via plekken op de hoofdhuid die elektrische signalen registreren. Maar hoewel ze in veel opzichten nuttig zijn in de geneeskunde en het onderzoek, zijn EEG's luidruchtig en onnauwkeurig - meer om te ontdekken welke delen van de hersenen actief zijn dan bijvoorbeeld welk subgebied van de sensorische cortex of iets dergelijks. En natuurlijk moet je een douchemuts dragen met elektroden (vaak vettig met geleidende gel) — dat is niet iets wat iemand langer dan een uur wil doen, laat staan ​​de hele dag.

Maar zelfs onder mensen met de meest ernstige lichamelijke beperkingen is de cognitie vaak onaangetast – zoals EEG-onderzoeken inderdaad hebben helpen aantonen. Het maakte Andreas Forsland, mede-oprichter en CEO van Cognixion, nieuwsgierig naar verdere mogelijkheden voor de eerbiedwaardige technologie: “Zou een brein-computerinterface die gebruik maakt van EEG een levensvatbaar communicatiesysteem kunnen zijn?”

Hij gebruikte EEG voor het eerst voor ondersteunende doeleinden in een onderzoek zo'n vijf jaar geleden. Ze onderzochten alternatieve methoden om iemand een cursor op het scherm te laten besturen, waaronder een versnellingsmeter voor het detecteren van hoofdbewegingen, en probeerden EEG-metingen als een ander signaal te integreren. Maar het was verre van een doorbraak.

Hij somde de moeilijkheden op: “Met een alleen-lezen-systeem is de manier waarop EEG tegenwoordig wordt gebruikt niet goed; andere headsets hebben lage bemonsteringsfrequenties en zijn niet nauwkeurig genoeg voor een real-time interface. De beste BCI's bevinden zich in een laboratorium, verbonden met natte elektroden - het is rommelig, het is echt een non-starter. Dus hoe repliceren we dat met droge, passieve elektroden? We proberen hier een aantal zeer lastige technische problemen op te lossen.”

De beperkingen, ontdekten Forsland en zijn collega's, lagen niet zozeer bij de EEG zelf als wel bij de manier waarop deze werd uitgevoerd. Dit type hersenmonitoring is bedoeld voor diagnose en onderzoek, niet voor realtime feedback. Het zou hetzelfde zijn als met een tractor naar een dragrace gaan. Niet alleen werken EEG's vaak met een langzame, grondige controle van meerdere hersengebieden die enkele seconden kan duren, maar het signaal dat het produceert wordt geanalyseerd met gedateerde statistische methoden. Cognixion begon dus met het in vraag stellen van beide praktijken.

Het verbeteren van de snelheid van de scan is ingewikkelder dan het overklokken van de sensoren of zoiets. Activiteit in de hersenen moet worden afgeleid uit het verzamelen van een bepaalde hoeveelheid gegevens. Maar die gegevens worden passief verzameld, dus probeerde Forsland er een actief element in te brengen: een ritmische elektrische stimulatie die in zekere zin wordt weerspiegeld door het hersengebied, maar enigszins verandert afhankelijk van de toestand ervan – bijna als echolocatie.

Ze detecteren deze signalen met een aangepaste set van zes EEG-kanalen in het gebied van de visuele cortex (boven en rond de achterkant van je hoofd) en gebruiken een machine learning-model om de binnenkomende gegevens te interpreteren. Door lokaal een convolutioneel neuraal netwerk op een iPhone te draaien (iets dat een paar jaar geleden nog niet echt mogelijk was) kan het systeem niet alleen in korte tijd een signaal uitzenden, maar ook nauwkeurige voorspellingen doen, wat zorgt voor snellere en soepelere interacties.

Het resultaat is een latentie van minder dan een seconde met een nauwkeurigheid van 95-100% in een draadloze headset die wordt aangedreven door een mobiele telefoon. "De snelheid, nauwkeurigheid en betrouwbaarheid bereiken een commercieel niveau - we kunnen de beste in zijn klasse van het huidige paradigma van EEG's evenaren", aldus Forsland.

Dr. William Goldie, een klinisch neuroloog die al tientallen jaren EEG's en andere technieken voor hersenmonitoring gebruikt en bestudeert (en die Cognixion vrijwillig heeft geholpen bij het ontwikkelen en testen van de headset), gaf een positieve evaluatie van de technologie.

“Er is absoluut bewijs dat hersengolfactiviteit op voorspelbare manieren reageert op denkpatronen,” merkte hij op. Dit soort stimulatie en respons werd jaren geleden bestudeerd. “Het was fascinerend, maar toen was het een soort van mysterieuze magische wereld. Nu komt het weer bovendrijven met deze speciale technieken en de automatisering die we tegenwoordig hebben. Voor mij is het een gebied dat zich opent op een manier waarvan ik denk dat het klinisch dramatisch effectief zou kunnen zijn.”

BCI, maak kennis met UI

Het eerste dat Forsland me vertelde was: "We zijn een UI-bedrijf." En inderdaad, zelfs zo'n stap voorwaarts op het gebied van neurale interfaces, zoals hij later beschreef, betekent weinig als deze niet kan worden toegepast op het onderhavige probleem: mensen met ernstige motorische beperkingen helpen zich snel en gemakkelijk uit te drukken.

Helaas is het niet moeilijk om je voor te stellen dat je de 'concurrentie' kunt verbeteren, zoals zaken als blaas- en blaasbuizen en schakelaars waarmee gebruikers moeizaam een ​​cursor naar rechts, iets meer naar rechts, omhoog, nog een beetje omhoog kunnen bewegen en vervolgens kunnen klikken: een brief! Blikdetectie is uiteraard een grote verbetering ten opzichte hiervan, maar het is niet altijd een optie (ogen werken niet altijd zo goed als je zou willen) en de beste eye-tracking-oplossingen (zoals een Tobii Dynavox-tablet) zijn niet draagbaar.

Waarom zouden deze interfaces niet zo modern en vloeiend zijn als alle andere? Het team begon hiermee een gebruikersinterface te maken en hield rekening met de mogelijkheden van hun volgende generatie EEG.

Hun oplossing neemt stukjes uit het oude paradigma en combineert deze met moderne virtuele assistenten en een radiaal ontwerp dat prioriteit geeft aan snelle reacties en gemeenschappelijke behoeften. Het draait allemaal in een app op een iPhone, waarvan het display wordt weerspiegeld in een vizier, dat fungeert als een HUD en naar buiten gericht display.

Binnen handbereik, om niet te zeggen een enkele gedachte, maar op zijn minst een moment van concentratie of een kanteling van het hoofd, zijn alledaagse vragen en antwoorden – ja, nee, dank u, enz. Dan zijn er slots om voorbereide spraak in te stoppen – namen , menubestellingen enzovoort. En dan is er nog een toetsenbord met voorspelling op woord- en zinsniveau waarmee gewone woorden kunnen worden ingevoerd zonder ze te spellen.

“We hebben het systeem getest met mensen die afhankelijk zijn van schakelaars, waarbij het soms 30 minuten duurt om twee selecties te maken. We zetten de headset op een persoon met hersenverlamming, en zij typte haar naam en klikte binnen twee minuten op play, 'zei Forsland. “Het was belachelijk, iedereen huilde.”

Goldie merkte op dat er sprake is van een soort leercurve. “Toen ik het aantrok, ontdekte ik dat het patronen herkende en deze doorvoerde, maar het leerde mij ook een soort patronen. Je traint het systeem, en het traint jou – het is een feedbackloop.”

“Ik kan de luidste persoon in de kamer zijn”

Eén persoon die het buitengewoon nuttig heeft gevonden, is dat wel Chris Benedict, een DJ, spreker in het openbaar en pleitbezorger voor gehandicapten die zelf dyskinetische hersenverlamming heeft. Het beperkt zijn bewegingen en spraakvermogen, maar weerhoudt hem er niet van om bij verschillende afspraken (digitale) platen te draaien of zijn ervaringen met de headset via e-mail toe te lichten. (En je kunt hem het persoonlijk zien demonstreren in de video hierboven.)

"Ook al is het niet een hulpmiddel dat ik altijd nodig heb, het is zeker nuttig bij mijn communicatie," vertelde hij me. “Vooral als ik snel moet reageren of op een plek ben waar het rumoerig is, wat vaak gebeurt als je DJ bent. Als ik hem met een Bluetooth-luidspreker draag, kan ik de luidste persoon in de kamer zijn. (Hij heeft altijd een luidspreker bij de hand, want “je weet nooit wanneer je wat muziek nodig hebt.”)

De voordelen van de headset geven een idee van wat er ontbreekt aan de bestaande ondersteunende technologie (en wat veel mensen als vanzelfsprekend beschouwen).

“Ik kan er mee communiceren, maar tegelijkertijd kan ik dankzij het vizier oogcontact maken met de persoon met wie ik praat. Ik hoef niet naar een scherm te staren tussen mij en iemand anders in. Dit helpt me echt om contact te maken met mensen”, legt Benedict uit.

“Omdat het een headset is, hoef ik me geen zorgen te maken over het in- en uitstappen. Er wordt geen extra volume aan mijn stoel toegevoegd waardoor ik bang hoef te zijn dat ik in een deuropening beschadigd raak. De headset is ook in balans, zodat mijn hoofd niet naar achteren of naar voren leunt of mijn nek zwaar wordt”, vervolgde hij. “Toen ik hem voor de eerste keer instelde, moest ik hem kalibreren en werd mijn persoonlijke bewegingsbereik gemeten, zodat het toetsenbord en de keuzes speciaal voor mij op het scherm pasten. Bovendien kan hij op elk moment opnieuw worden gekalibreerd, wat belangrijk is omdat mijn bewegingsbereik niet elke dag hetzelfde is.”

Alexa, dat zeer nuttig is geweest voor mensen met verschillende handicaps vanwege de lage kosten en het brede scala aan compatibele apparaten, maakt ook deel uit van de Cognixion-interface, iets wat Benedict op prijs stelt, omdat hij het systeem zelf heeft overgenomen voor smart home en andere doeleinden. "Bij andere systemen is dit niet iets wat je kunt doen, en als het wel een optie is, is het erg ingewikkeld", zei hij.

Volgende stappen

Zoals Benedictus laat zien, zijn er mensen voor wie een apparaat als dat van Cognixion heel zinvol is, en de hoop is dat het zal worden omarmd als onderdeel van het noodzakelijkerwijs diverse ecosysteem van ondersteunende technologie.

Forsland zei dat het bedrijf nauw samenwerkt met de gemeenschap, van gebruikers tot klinische adviseurs zoals Goldie en andere specialisten, zoals logopedisten, om de One-headset zo goed mogelijk te maken. Maar de hindernis, zoals bij zoveel apparaten in deze klasse, is hoe je het daadwerkelijk op de hoofden van mensen kunt leggen – financieel en logistiek gezien.

Cognixion vraagt ​​goedkeuring van de FDA aan om de kosten van de headset – die, omdat hij wordt aangedreven door een telefoon, niet zo hoog is als met een geïntegreerd scherm en processor – door de verzekering te worden gedekt. Maar in de tussentijd werkt het bedrijf samen met klinische en bedrijfslaboratoria die neurologisch en psychologisch onderzoek doen. Met andere woorden: plaatsen waar u een gewone, omslachtige EEG-opstelling kunt tegenkomen.

Het bedrijf heeft geld ingezameld en is op zoek naar meer (hardwareontwikkeling en medische activiteiten zijn niet goedkoop), en heeft ook een aantal subsidies ingezameld.

De Cognixion One-headset kan nog enkele jaren verwijderd zijn van breder gebruik (de FDA heeft nooit haast), maar dat geeft het bedrijf de tijd om het apparaat te verfijnen en nieuwe ontwikkelingen toe te voegen. In tegenstelling tot veel andere hulpmiddelen, bijvoorbeeld een schakelaar of joystick, is dit grotendeels softwarematig beperkt, wat betekent dat betere algoritmen en UI-werk dit aanzienlijk zullen verbeteren. Terwijl velen wachten tot bedrijven als Neuralink een brein-computerinterface voor de moderne tijd zullen creëren, heeft Cognixion dit al gedaan voor een groep mensen die er veel meer uit kunnen halen.

U kunt meer leren over de Cognixion One-headset en u aanmelden om het laatste nieuws te ontvangen op zijn site hier.

Bron: https://techcrunch.com/2021/05/04/cognixions-brain-monitoring-headset-enables-fluid-communication-for-people-with-severe-disabilities/