Articolo metodologico

Un'interfaccia cervello-computer indossabile a canale singolo e non invasiva per l'industria e la sanità

DOI:

10.3791/65007

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7 luglio 2023

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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

In questo articolo

Sommario

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Questo documento discute come costruire un'interfaccia cervello-computer facendo affidamento su apparecchiature di livello consumer e potenziali evocati visivamente in stato stazionario. Per questo, un elettroencefalografo a canale singolo che sfrutta elettrodi secchi è stato integrato con occhiali a realtà aumentata per la presentazione degli stimoli e la visualizzazione dei dati di output. Il sistema finale era non invasivo, indossabile e portatile.

Abstract

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Il presente lavoro si concentra su come costruire un'interfaccia cervello-computer indossabile (BCI). I BCI sono un nuovo mezzo di interazione uomo-computer che si basa su misurazioni dirette dei segnali cerebrali per assistere sia le persone con disabilità che coloro che sono normodotati. Esempi di applicazioni includono il controllo robotico, l'ispezione industriale e la neuroriabilitazione. In particolare, studi recenti hanno dimostrato che i potenziali evocati visivamente stazionari (SSVEP) sono particolarmente adatti per applicazioni di comunicazione e controllo e sono attualmente in corso sforzi per portare la tecnologia BCI nella vita quotidiana. Per raggiungere questo obiettivo, il sistema finale deve basarsi su strumentazione indossabile, portatile e a basso costo. Nello sfruttamento degli SSVEP è necessario uno stimolo visivo tremolante con frequenze fisse. Pertanto, nel considerare i vincoli della vita quotidiana, in questo studio è stata esplorata la possibilità di fornire stimoli visivi per mezzo di occhiali intelligenti. Inoltre, per rilevare i potenziali indotti, è stato preso in considerazione un dispositivo commerciale per l'elettroencefalografia (EEG). Questo è costituito da un unico canale differenziale con elettrodi secchi (senza gel conduttivo), ottenendo così la massima vestibilità e portabilità. In tale BCI, l'utente può interagire con gli occhiali intelligenti semplicemente fissando le icone che appaiono sul display. Su questo semplice principio, è stato costruito un BCI facile da usare e a basso costo integrando occhiali a realtà estesa (XR) con un dispositivo EEG disponibile in commercio. La funzionalità di questo XR-BCI indossabile è stata esaminata con una campagna sperimentale che ha coinvolto 20 soggetti. L'accuratezza della classificazione era compresa tra l'80% e il 95% in media a seconda del tempo di stimolazione. Dati questi risultati, il sistema può essere utilizzato come interfaccia uomo-macchina per l'ispezione industriale, ma anche per la riabilitazione nell'ADHD e nell'autismo.

Introduzione

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Un'interfaccia cervello-computer (BCI) è un sistema che consente la comunicazione e/o il controllo di dispositivi senza percorsi neurali naturali1. La tecnologia BCI è la cosa più vicina che l'umanità ha al controllo degli oggetti con il potere della mente. Da un punto di vista tecnico, il funzionamento del sistema funziona misurando l'attività cerebrale indotta o evocata, che potrebbe essere generata involontariamente o volontariamente dal soggetto2. Storicamente, la ricerca si è concentrata sull'aiutare le persone con disabilità motorie attraverso BCI3, ma un numero crescente di aziende oggi off....

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Protocollo

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Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico di Ricerca Psicologica del Dipartimento di Studi Umanistici dell'Università degli Studi di Napoli Federico II. I volontari hanno firmato il consenso informato prima di partecipare agli esperimenti.

1. Preparare l'interfaccia cervello indossabile non invasivo - computer

  1. Ottenere un elettroencefalografo di livello consumer a basso costo con elettrodi a secco e configurarlo per l'utilizzo a canale singolo.
    1. Cortocircuitare o collegare eventuali canali di ingresso inutilizzati sull'elettroencefalografo a basso costo a una tensione di riferimento interna come specifi....

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Risultati

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Una possibile implementazione del sistema sopra descritto è mostrata in Figura 1; Questa implementazione consente all'utente di navigare nella realtà aumentata attraverso l'attività cerebrale. Le icone tremolanti sul display degli occhiali intelligenti corrispondono alle azioni per l'applicazione (Figura 1A) e, quindi, questi occhiali rappresentano un sostituto per un'interfaccia tradizionale basata sulla pressione di pulsanti o .......

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Discussione

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Il corretto funzionamento del sistema coinvolge due aspetti cruciali: l'elicitazione SSVEP e l'acquisizione del segnale. A parte i dispositivi specifici scelti per lo studio attuale, SSVEP potrebbe essere ottenuto con diversi dispositivi che forniscono una luce tremolante, anche se gli occhiali intelligenti sono preferiti per garantire vestibilità e portabilità. Analogamente, potrebbero essere presi in considerazione ulteriori elettroencefalografi commerciali, ma dovrebbero essere indossabili, portatili e coinvolgere un .......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato realizzato nell'ambito del progetto ICT for Health, che è stato sostenuto finanziariamente dal Ministero dell'Istruzione, dell'Università e della Ricerca (MIUR), nell'ambito dell'iniziativa Dipartimenti di Eccellenza (Legge di Bilancio n. 232/2016), attraverso un contributo di eccellenza assegnato al Dipartimento di Informatica e Ingegneria Elettrica dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, Napoli, Italia. Il progetto è stato infatti reso possibile dal supporto dell'iniziativa Res4Net e del TC-06 (Emerging Technologies in Measurements) della IEEE Instrumentation and Measurement Society. Gli autori ringraziano anche L. Callegaro, A. Cio....

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Gomma conduttiva con rivestimento Ag/AgClab medica s.p.a.N/AElettrodi alternativi – tipo 2
Elettrodo a clip per l'orecchioOpenBCIN/AClip per l'orecchio
EEG-AEOlimexN/AElettrodi attivi
EEG-PEOlimexN/AElettrodo passivo
EEG-SMTOlimexN/AElettroencefalografo a basso costo
Moverio BT-200EpsonN/ASmart occhiali
Elettrodi a scattoOpenBCIN/AElettrodi alternativi – tipo 1

Riferimenti

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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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Ristampe e permessi

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Wearable Brain Computer InterfaceSingle Channel EEGSteady State Visually Evoked PotentialsSSVEP BCISmart GlassesEEG Signal ProcessingSupport Vector MachinePower Spectral DensityIndustrial InspectionNeurorehabilitation

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