方法文章

面向工业和医疗保健的单通道非侵入式可穿戴脑机接口

DOI：

10.3791/65007

⸱

2023年7月7日

 ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering and Information Technology (DIETI), University of Naples Federico II, 2Interdepartmental Center for Research and Innovation in Management and Healthcare (CIRMIS), University of Naples Federico II, 3Advanced Metrological Services Center (CeSMA), University of Naples Federico II, 4Department of Innovation Engineering, University of Salento, 5Department of Electronics and Telecommunication (DET), Polytechnic of Turin

本文内容

摘要

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本文讨论了如何依靠消费级设备和稳态视觉诱发电位构建脑机接口。为此，利用干电极的单通道脑电图仪与增强现实眼镜集成在一起，用于刺激呈现和输出数据可视化。最终的系统是非侵入式的、可穿戴的和便携的。

摘要

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目前的工作重点是如何构建可穿戴脑机接口（BCI）。BCI是一种新颖的人机交互方式，它依赖于对大脑信号的直接测量来帮助残疾人和健全人。应用示例包括机器人控制、工业检测和神经康复。值得注意的是，最近的研究表明，稳态视觉诱发电位（SSVEPs）特别适合通信和控制应用，目前正在努力将BCI技术带入日常生活。为了实现这一目标，最终系统必须依靠可穿戴、便携和低成本的仪器。在利用SSVEP时，需要具有固定频率的闪烁视觉刺激。因此，在考虑日常生活限制时，本研究探讨了通过智能眼镜提供视觉刺激的可能性。此外，为了检测诱发电位，考虑了一种用于脑电图（EEG）的商用设备。它由带有干电极（无导电凝胶）的单个差分通道组成，从而实现最大的耐磨性和便携性。在这样的BCI中，用户只需盯着显示屏上出现的图标即可与智能眼镜进行交互。基于这个简单的原理，通过将扩展现实（XR）眼镜与市售的EEG设备集成，构建了用户友好，低成本的BCI。这种可穿戴XR-BCI的功能通过涉及20名受试者的实验活动进行了检查。根据刺激时间的不同，分类准确率平均在80%-95%之间。鉴于这些结果，该系统可以用作工业检查的人机界面，也可以用于ADHD和自闭症的康复。

引言

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脑机接口（BCI）是一种允许与没有自然神经通路的设备进行通信和/或控制的系统1。BCI技术是人类最接近用思想的力量控制物体的东西。从技术角度来看，系统操作通过测量诱导或诱发的大脑活动来工作，这些活动可能是非自愿的，也可能是由受试者自愿产生的2。从历史上看，研究的重点是通过 BCI3 帮助运动障碍者，但如今越来越多的公司为游戏4、机器人5、工业6 和其他涉及人机交互的应用提供基于 BCI 的仪器。值得注意的是，BCI可能在第四次工业革命中发挥作用，即工业4.07，其中网络物理生产系统正在改变人类与周围环境之间的相互作用8。从广义上讲，欧洲项目BNCI Horizon 2020确定了诸如替换，恢复，改善，增强或补充中枢神经系统失去的自然功能等应用场景，以及BCI在研究大脑中的使用9。

在这个框架中，最近的技术进步意味着脑机接口可能适用于日常生活10，1....

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方案

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该研究得到了那不勒斯费德里科二世大学人文系心理研究伦理委员会的批准。志愿者在参与实验前签署了知情同意书。

1.准备非侵入性可穿戴大脑-计算机接口

  1. 获得带有干电极的低成本消费级脑电图仪，并将其配置为单通道使用。
    1. 将低成本脑电图仪上任何未使用的输入通道短路或连接到固有数据表指定的内部基准电压。这样，未使用的通道将被禁用，并且它们不会产生串扰噪声。
    2. 调整脑电图仪增益（通常通过具有可变电阻的组件），使其输入范围约为100 μV。
      注意:要测量的脑电图信号约为数十微伏。然而，干电极受到运动伪影的极大影响，由于电极-皮肤阻抗的变化，导致振荡量级为100 μV。增加输入电压范围有助于限制EEG放大器饱和度，但并不能完全消除饱和度。另一方面，进一步增加输入电压范围会很不方便，因为这会影响测量所需EEG分量的电压分辨率。最终，必须通过考虑脑电图板内模数转换器的位分辨率来平衡这两个方面。
    3. 准备三个干电极连接到脑电图板。使用无源电极（无预放大）作为参比电极。其余两个测量电极应该是有源电极（即涉及预放大和最终的模拟滤波）。
      注意:放置在毛发头皮区域的电极需要引脚来克服电极与皮肤的接触阻抗。如果可能，用平头焊接银针（以避免用户遭受太多痛苦），或者理想情况下使用带有Ag/AgCl涂层的导电（软）橡胶。
  2. 获取具有 Android 操作系统且....

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结果

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上述系统的可能实现如图 1所示;这种实现允许用户通过大脑活动在增强现实中导航。智能眼镜显示屏上的闪烁图标对应于应用程序的动作（图1A），因此，这些眼镜代表了基于按钮按下或触摸板的传统界面的替代品。这种相互作用的有效性与闪烁引起的电位的成功分类严格相关。为了实现这一目标，首先对系统18进行了计量表征，然后人类用户参与了实验验证。

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图1:拟议的脑机接口的可能实现。 （A）表示用户通过智能眼镜看到的内.......

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讨论

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系统的正常运行涉及两个关键方面:SSVEP启发和信号采集。除了为当前研究选择的特定设备外，SSVEP还可以通过提供闪烁光的不同设备来引发，尽管智能眼镜是首选以确保可穿戴性和便携性。类似地，可以考虑进一步的商业脑电图仪，但它们必须是可穿戴的，便携式的，并且涉及最少数量的干电极才能使用户友好。此外，该系统可以定制为使用易于编程的设备。此外，处理策略决定了最终性能;尽管处理策略在所描述的系统设计中似乎并不重要，但其增强肯定会有助于为通信和控制应用提供更快、更准确的系统10，11，19。

可以强调该系统的一些缺点。事实上，对于SSVEP启发，闪烁刺激应该具有大尺寸和稳定的闪烁频率。前者意味着Android应用程序的按钮可能很笨重，并且对扩展现实场景构成限制。后者需要具有计量特性的智能眼镜，而这些特征通常不会出现在商业设备中。此外，即使在满足这些条件之后，SSVEP 的存在也取决于受试者。值得注意的是，SS.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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这项工作是作为信息通信技术促进健康项目的一部分进行的，该项目由意大利教育、大学和研究部 （MIUR） 根据卓越部门倡议（意大利预算法第 232/2016 号）通过授予那不勒斯费德里科二世大学信息技术和电气工程系的卓越赠款， 意大利那不勒斯。该项目确实是在Res4Net倡议和IEEE仪器仪表和测量协会的TC-06（测量新兴技术）的支持下实现的。作者还要感谢L. Callegaro，A. Cioffi，S. Criscuolo，A. Cultrera，G. De Blasi，E. De Benedetto，L. Duraccio，E. Leone和M. Ortolano在开发，测试和验证系统方面的宝贵贡献。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
带 Ag/AgCl 涂层的导电橡胶 AB Medica S.p.A.N/A替代电极 – 2
耳夹OpenBCIN/A耳夹
EEG-AEOlimexN/A有源电极
EEG-PEOlimexN/A无源电极
EEG-SMTOlimexN/A低成本脑电图
Moverio BT-200EpsonN/ASmart眼镜
卡扣电极OpenBCIN/A替代电极 – 类型 1
公司型 电极

参考文献

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  1. Wolpaw, J. R., et al. Brain-computer interface technology: A review of the first international meeting. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering. 8 (2), 164-173 (2000).
  2. Zander, T. O., Kothe, C., Jatzev, S., Gaertner, M. Enhancing human-computer interaction with input from active and passive brain-computer interfaces.

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SSVEP

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