Brain computer Interface BCI Perspektif

BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial
Catur Atmaji (catur_atmaji@ugm.ac.id)
Elektronika dan Instrumentasi
Jurusan Ilmu Komputer dan Elektronika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Gadjah Mada
2015

Electroencephalography
Sejak dilahirkan, manusia selalu mengalami perkembangan, dan secara umum
perkembangan tersebut diwakili perkembangan kognitif maupun fisik. Perkembangan
kognitif sangat erat kaitannya dengan kemampuan otak. Dalam kenyataannya, seluruh
aktivitas manusia memang dikendalikan oleh otak manusia. Sebagai konsekwensinya,
secara psikologis maupun medis, kelainan dalam otak akan berpengaruh terhadap aktivitas
seseorang.
Pada tahun 1929, Hans Berger berhasil mengembangkan suatu metode untuk merekam
aktivitas elektrik manusia dalam otak manusia [1][2]. Aktivitas tersebut dihasilkan oleh
loncatan elektron dari aktivitas neuron. Hasil rekaman tersebut disusun seiring dengan
waktu perekaman menghasilkan gelombang yang disebut sebagai electroencephalogram,
dengan metode perekamannya sebagai electroencephalography (EEG). Gambar 1
menunjukkan perekaman EEG pada seorang pasien dan hasil perekaman dari seorang

pasien.

Gambar 1. Kiri: seorang pasien menggunakan alat perekam EEG. Kanan: hasil perekaman
EEG dari seorang pasien. [2]
EEG untuk Pemantauan Pasien Epilepsi
Dalam dunia medis, EEG dimanfaatkan dalam pengamatan pasien epilepsi. Hasil
pembacaan gelombang otak dari pasien epilepsi berbeda dengan pasien normal. Sebagai
contoh, pembacaan EEG dapat dijadikan sebagai acuan untuk membedakan pasien yang
kejang sebagai akibat dari epilepsi atau bukan epilepsi.

BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial -- 1

Ritme Gelombang Otak: Gelombang Delta, Theta, Alpha, dan Beta
Hasil dari perekaman EEG juga disebut sebagai gelombang otak (brain waves), dan
gelombang otak tersebut yang menjadi acuan dalam pengamatan aktivitas otak manusia.
Hans Berger pertama kali menyadari bahwa hasil pembacaan gelombang otak memiliki
pola-pola tertentu dan salah satu pola yang dirumuskan adalah ritme gelombang otak.
Secara umum, gelombang otak dapat dibagi menjadi empat macam sebagai berikut, yaitu
gelombang delta, theta, alpha, dan beta.


Gambar 2. Empat jenis gelombang otak yang paling dominan [3].
Seperti ditunjukkan pada gambar 2, sesuai dengan frekuensinya, setiap ritme gelombang
otak memiliki kerapatan yang berbeda-beda. Semakin tinggi frekuensinya, semakin rapat
gelombangnya.
Gelombang delta berhubungan dengan kondisi meditasi, dan ditemukan pada kondisi tidur
seseorang. Gelombang theta berhubungan dengan kondisi tenang, ditemukan pada kondisi
relaksasi, atau dapat juga ditemukan pada kondisi setengah sadar. Gelombang alpha
ditemukan pada rata-rata aktivitas normal manusia. Gelombang beta ditemukan pada
aktivitas berat dari otak manusia.
Ritme gelombang otak yang dikategorikan tersebut bermanfaat bagi psikolog atau psikiater
untuk mengamati aktivitas otak. Para hipnoterapis juga dapat memanfaatkan ritme
gelombang otak tersebut ketika melakukan terapi kepada pasiennya.
Brain-computer Interafce
Seiring dengan perkembangan EEG dan disadarinya hubungan antara pola gelombang EEG
dengan aktivitas manusia, muncul ide untuk memanfaatkan gelombang otak sebagai sinyal
kendali. Ide dasar tersebut yang memunculkan suatu konsep yang disebut sebagai braincomputer interface (BCI) [4].
Secara umum, konsep BCI diringkas seperti pada gambar 4, yaitu dengan gelombang otak
sebagai masukan sistem, komputer sebagai pengolah dan penerjemah pola, dan sinyal
perintah kepada alat tertentu (aktuator) sebagai keluaran sistem. Konsep umum ini dapat
dipakai di sistem apapun asalkan algoritma yang digunakan mampu mengenali pola dari

gelombang otak sesuai dengan kebutuhan sistem.

BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial -- 2

Gambar 3. Konsep umum dari sebuah sistem BCI [5].
Secara umum, gelombang otak memiliki pola yang berbeda ketika seseorang melakukan
aktivitas yang berbeda. Namun demikian, pola yang berbeda tersebut cukup sulit untuk
dirumuskan dalam suatu pola tertentu. Kendala ini yang menjadikan sistem BCI yang
dikembangkan sejauh ini baru sampai pada aplikasi-aplikasi yang sederhana.
Aplikasi BCI
Aplikasi dari sistem BCI sangat beragam. Aplikasi medis maupun aplikasi tambahan untuk
membantu mempermudah aktivitas manusia telah banyak dikembangkan. Bahkan dengan
sistem BCI yang disederhanakan, telah banyak dikembangkan permainan berbasis pada
pembacaan gelombang otak manusia.
1.
2.
3.
4.
5.


Kendali kursi roda berdasar pembacaan gelombang otak [6][7].
Kendali tetikus komputer dengan BCI [8].
Deteksi kejang pada penderita epilepsi [9].
Asses aspek kognitif pada seseorang [10].
Permainan berbasis gelombang otak [11].

Sistem BCI di Masa Depan
Surrogates, Pacific Rim, dan Avatar, adalah beberapa film fiksi ilmiah yang berbasis pada
perkembangan puncak dari sebuah sistem BCI. Ya, sistem BCI yang sekarang dikembangkan
masih sangat parsial karena sulitnya melakukan penerjemahan gelombang EEG menjadi
sinyal kendali. Namun dalam impian terjauh dari para peneliti adalah suatu sistem BCI
yang mampu menerjemahkan setiap apa yang dibayangkan oleh manusia menjadi sinyal
kendali yang dapat diarahkan ke suatu sistem eksternal dari tubuh manusia. Ketika hal ini
dapat dicapai, maka kendala fisik dari setiap pasien akan mampu diatasi, dan setiap
pasien lumpuh dapat berinteraksi dengan normal terhadap pasien maupun orang normal
yang lainnya.
Perkembangan lain dari BCI di masa depan adalah sebuah Android atau Cyborg, dimana
hasil penerjemahan EEG tidak hanya dimanfaatkan untuk mengendalikan peralatan lain
namun juga mengendalikan peralatan pengganti tubuh yang langsung dipasang pada tubuh
BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial -- 3


pasien [12]. Organ pengganti dari manusia dapat dikendalikan secara langsung melalui chip
yang ditanamkan dalam otak pasien dan sinyal kendali yang dihasilkan langsung
diumpankan ke organ pengganti tersebut. Konsep cyborg yang lebih maju adalah dimana
organ pengganti tidak hanya menerima perintah dari otak, namun juga dapat mengirimkan
hasil penginderaan kepada otak melalui chip yang tertanam tersebut.
Perkembangan lebih lanjut yang mungkin dilakukan adalah dengan memanfaatkan konsep
Internet of Thing (IoT), yang sudah sangat berkembang, ke dalam sistem BCI eksternal
maupun dalam seorang cyborg. Konsep IoT secara sederhana adalah konsep dimana setiap
benda dapat terhubung dengan dunia internet. Sebagai contoh, dengan cukup dilengkapi
bantuan kamera, seseorang dapat melakukan pengamatan dan pengendalian terhadap
kondisi rumah secara jarak jauh hanya dengan membayangkan saja.
Isu-isu dalam Pemanfaatan BCI
Isu dalam Pengembangan Teknologi: Ekstraksi Ciri dan Pengenalan Pola
Pengembangan teknologi BCI saat ini masih terkendala pada proses ekstraksi ciri dari
gelombang EEG dan algoritma pengenalan pola untuk menterjemahkan hasil pembacaan
gelombang EEG menjadi sinyal kendali ke luaran sistem. Karena kendala ini, sistem BCI
yang dikembangkan masih sebatas sistem-sistem sederhana seperti sistem pengendali kursi
roda atau sistem penggerak tangan robotik.
Isu Medis

Perkembangan BCI secara sekilas dipandang mampu memberikan solusi bagi pasien yang
mengalami kelumpuhan motorik untuk dapat berinteraksi secara lebih baik terhadap
lingkungannya. Namun demikian, untuk memasang suatu sistem BCI untuk dapat
membantu pasien dengan keadaan tersebut tergantung pada persetujuan pasien. Studi
pada pasien ALS [5][13], ditemukan bahwa persetujuan pasien untuk diberi peralatan
penunjang hidup, termasuk BCI tergantung pada kualitas hidup (quality of life) yang
diperoleh setelah pasien menggunakan peralatan penunjang tersebut. Mereka menolak
peralatan tersebut jika kualitas hidup yang diperoleh adalah rendah.
Namun demikian, pemasangan peralatan semacam itu juga diperlukan dan termasuk kode
etik dalam dunia medis adalah memberikan informasi bagi pasien ketika akan dilakukan
pemasangan peralatan serupa [5]. Kondisi-kondisi tersebut menjadikan isu penerapan BCI
bagi pasien lumpuh menjadi isu yang masih diperdebatkan.
Isu Sosial
Dalam interaksi sosial, kondisi fisik seseorang masih sering memberikan pengaruh pada
kualitas komunikasi. Pemasangan kursi roda bagi pasien lumpuh yang tidak mampu
menggerakkan seluruh bagian tubuhnya kecuali kesadaran otak dan gerakan mata memang
mampu membantu interaksi pasien terhadap lingkungan. Namun demikian, kualitas
pergaulan sosial menjadi persoalan tersendiri pada lingkungan yang tidak menyadari
kesetaraan fisik dalam interaksi sosial.
Dalam pemanfaatan sistem BCI pada manusia normal, yang dalam hal ini untuk

menambahkan kemampuan dengan sistem tambahan semisal tangan robotik, juga
memungkinkan perubahan pola interaksi antar manusia, baik antara manusia normal tanpa
sistem BCI dan manusia normal dengan sistem BCI maupun antara dua orang yang masingmasing menggunakan sistem BCI. Pola ini akan mungkin berubah di masa depan seperti
halnya perubahan pola interaksi manusia ketika memasuki zaman media sosial di dunia
maya.
BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial -- 4

Isu Privasi
Seperti diketahui umum, dalam dunia medis, data dari seorang pasien adalah bersifat
privasi dan tidak boleh diterbitkan kepada umum. Dalam sistem BCI, pintu pertama dari
sistem dapat bekerja adalah gelombang EEG yang bersifat privasi seperti layaknya data
kesehatan lainnya. Apabila dalam beberapa tahun ke depan sistem BCI semakin banyak
berkembang dan dijual secara massal, isu privasi ini menjadi sangat sensitif. Salah satu
cara yang dapat dilakukan adalah melakukan enkripsi terhadap data pembacaan EEG dan
melalui persetujuan pengguna ketika akan menggunakan sistem BCI yang terkait [14].
Dalam perkembangan sistem BCI yang futuristik, seperti surrogates sebagai pengganti
keberadaan fisik manusia atau cyborg yang mengubah fisik manusia, sangat mungkin akan
terjadi perubahan cara kerja dari otak manusia. Hal ini tidak hanya akan berdampak bagi
pengguna secara pribadi, namun juga akan memberikan dampak bagi lingkungan maupun
interaksi sosial. Secara khusus, akan diperlukan psikolog atau psikiatri yang khusus

mendalami kasus pada seorang dengan surrogate atau seorang cyborg.
Referensi
[1]

[2]
[3]
[4]

[5]

[6]
[7]
[8]

[9]
[10]

[11]
[12]
[13]


[14]

Brainclinics, 2015, History: From EEG to QEEG,
http://www.brainclinics.com/history-of-the-eeg-and-qeeg, diakses pada 26 Mei
2015.
Wikipedia, 2015, Electroencephalography,
http://en.wikipedia.org/wiki/Electroencephalography, diakses pada 26 Mei 2015.
Sanei, S. dan Chambers, J.A., 2007, EEG Signal Processing, John Wiley and Sons Ltd,
West Sussex.
Wikipedia, 2015, Brain-computer interface,
http://en.wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface, diakses pada 26
Mei 2015.
Nijboer, F., Matuz, T., Kubler, A., dan Birbaumer, N., 2006, Ethical, Psychological,
and Social Implications of Brain-computer Interface application in paralyzed
patients, DANS AAI Workshop.
Emotiv, 2014, Brain-controlled Wheelchair, https://emotiv.com/blog/braincontrolled-wheelchair/, diakses pada 26 Mei 2015.
Carlson, T. dan Millan, JdR., 2013, Brain-controlled wheelchair: A Robotic
Architecture, IEEE Robotics and Automation Magazine, 20(1), p65-73, Maret 2013.
Citi, L., Poli, R., Cinel, C., dan Sepulveda, F., 2008, P3100-Based BCI Mouse with

Genetically-optimized Analogue Control, IEEE Transaction on Neural Systems and
Rehabilitatin Engineering, 16(1), p51-61, Februari 2008.
Shoeb, A. dan Guttag, J., 2010, Application of Machine Learning to Epileptic Seizure
Detection, Proceedings of the 27th International Conference on Machine Learning.
Haapalainen, E., Kim, S.J., Forlizzi, J.F., dan Dey, A.K., 2010, Psycho-physiological
Measures for Assessing Cognitive Load, Proceedings of the 12th ACM international
conference on Ubiquitous computing, p301-310.
Neurosky, Mindflex Duel, http://store.neurosky.com/products/mindflex-duel,
diakses pada 26 Mei 2015
Wolpe, P.R., 2007, Ethical and social challenges of brain-computer interface, Virtual
Mentor, American Medical Association Journal of Ethics, 9, p129-131.
Burchandi, N., Rauprich O., dan Vollmann J., 2004, Patienten Selbstbestimmung und
Patientenverfugungen aus der Sicht von Patienten mit amyotropher Latelarlsklerose:
eine qualitative empirische Studie, Ethik in der Medizn 16, p7-21.
Lee, K.Y. dan Jang, D., 2013, Ethical and Social Issues Behind Brain-computer
Interface, Proceedings of International Winter Workshop on Brain-Computer
Interface (BCI), p72-75.
BCI (Brain-Computer Interface): Perspektif Teknis, Medis, dan Sosial -- 5