이 백서에서는 소비자 등급 장비와 정상 상태의 시각적 유발 잠재력에 의존하여 뇌-컴퓨터 인터페이스를 구축하는 방법에 대해 설명합니다. 이를 위해 건식 전극을 활용하는 단일 채널 뇌파계가 자극 표현 및 출력 데이터 시각화를 위해 증강 현실 안경과 통합되었습니다. 최종 시스템은 비침습적, 웨어러블 및 휴대용이었습니다.
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이 논문에서
요약
초록
현재 연구는 웨어러블 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 구축하는 방법에 중점을 둡니다. BCI는 장애인과 장애인 모두를 돕기 위해 뇌 신호의 직접 측정에 의존하는 인간-컴퓨터 상호 작용의 새로운 수단입니다. 적용 사례로는 로봇 제어, 산업 검사 및 신경 재활이 있습니다. 특히, 최근 연구에 따르면 정상 상태 시각 유발 전위(SSVEP)는 통신 및 제어 애플리케이션에 특히 적합하며 현재 BCI 기술을 일상 생활에 도입하기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 이 목표를 달성하기 위해 최종 시스템은 웨어러블, 휴대용 및 저비용 기기에 의존해야 합니다. SSVEP를 활용하려면 고정 주파수로 깜박이는 시각적 자극이 필요합니다. 따라서 일상 생활의 제약을 고려할 때 스마트 안경을 통해 시각적 자극을 제공할 수 있는 가능성을 본 연구에서는 탐구하였다. 또한, 유도된 전위를 감지하기 위해 뇌파검사(EEG)를 위한 상용 장치가 고려되었습니다. 이것은 건식 전극(전도성 젤 없음)이 있는 단일 차동 채널로 구성되어 최고의 착용성과 휴대성을 달성합니다. 이러한 BCI에서, 사용자는 단지 디스플레이에 나타나는 아이콘들을 응시하는 것만으로 스마트 글래스와 상호작용할 수 있다. 이 간단한 원리에 따라 확장 현실(XR) 안경을 상업적으로 이용 가능한 EEG 장치와 통합하여 사용자 친화적인 저비용 BCI를 구축했습니다. 이 웨어러블 XR-BCI의 기능은 20명의 피험자가 참여한 실험 캠페인으로 조사되었습니다. 분류 정확도는 자극 시간에 따라 평균 80%-95% 사이였습니다. 이러한 결과를 감안할 때 이 시스템은 산업 검사를 위한 인간-기계 인터페이스로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 ADHD 및 자폐증의 재활에도 사용될 수 있습니다.
서론
뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)는 자연 신경 경로없이 장치와의 통신 및/또는 제어를 허용하는 시스템이다1. BCI 기술은 인류가 마음의 힘으로 사물을 조종하는 데 가장 가까운 것입니다. 기술적인 관점에서 볼 때, 시스템 작동은 피험자로부터 비자발적 또는 자발적으로 생성될 수 있는 유도 또는 유발된 뇌 활동을 측정함으로써 작동한다2. 역사적으로 연구는 BCI3를 통해 운동 장애가 있는 사람들을 돕는 데 중점을 두었지만, 오늘날 점점 더 많은 회사들이 게임4, 로봇 공학5, 인더스트리6 및 인간-기계 상호 작용과 관련된 기타 응용 분야를 위한 BCI 기반 계측기를 제공하고 있습니다. 특히, BCI는 4차 산업혁명, 즉 인더스트리 4.0(Industry 4.0)7에서 중요한 역할을 할 수 있는데, 여기서 사이버-물리적 생산 시스템은 인간과 주변 환경 간의 상호작용을 변화시키고 있다8. 대체로 유럽 프로젝트 BNCI ....
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프로토콜
이 연구는 나폴리 페데리코 II 대학 인문학과의 심리학 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 자원 봉사자들은 실험에 참여하기 전에 정보에 입각 한 동의서에 서명했습니다.
1. 비침습적 웨어러블 뇌 준비 - 컴퓨터 인터페이스
- 건식 전극이 있는 저가형 소비자 등급 뇌파계를 구하고 단일 채널 사용을 위해 구성합니다.
- 저비용 뇌파계에서 사용하지 않는 입력 채널을 단락시키거나 내부 기준 전압에 연결합니다.tage 고유한 데이터시트에 명시되어 있습니다. 이렇게 하면 사용하지 않는 채널이 비활성화되고 누화 노이즈가 발생하지 않습니다.
- 뇌파 이득(일반적으로 가변 저항이 있는 구성 요소를 통해)을 조정하여 입력 범위가 100μV 정도가 되도록 합니다.
알림: 측정할 EEG 신호는 수십 마이크로볼트 정도입니다. 그러나 건식 전극은 모션 아티팩트의 영향을 크게 받으며, 이로 인해 전극-피부 임피던스의 가변성으로 인해 100μV 정도의 진동이 발생합니다. 입력 전압 범위를 늘리면 EEG 증폭기 포화를 제한하는 데 도움이 되지만 완전히 제거되지는 않습니다. 반면에 입력 전압 범위를 더 늘리는 것은 원하는 EEG 구성 요소를 측정할 때 전압 분해능에 영향을 미치기 때문에 불편할 것입니다.....
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결과
상술한 시스템의 가능한 구현은 도 1에 도시되어 있다; 이 구현을 통해 사용자는 뇌 활동을 통해 증강 현실을 탐색할 수 있습니다. 스마트 안경 디스플레이의 깜박이는 아이콘은 응용 제품의 동작에 해당하므로(그림 1A), 이 안경은 버튼 누름 또는 터치패드를 기반으로 하는 기존 인터페이스를 대체합니다. 이러한 상호 작용의 효능은 깜박임에 의해 유발 된 전위의 성공적인 분류와 밀접한 관련이 있습니다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 먼저 시스템(18)에 대해 도량형 특성화가 수행되었고, 그 후 인간 사용자가 실험적 검증에 참여하였다.
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토론
시스템의 적절한 기능에는 SSVEP 유도 및 신호 획득이라는 두 가지 중요한 측면이 포함됩니다. 현재 연구를 위해 선택된 특정 장치 외에도 SSVEP는 깜박이는 빛을 제공하는 다양한 장치로 유도될 수 있지만 착용성과 휴대성을 보장하기 위해 스마트 안경이 선호됩니다. 유사하게, 더 많은 상업용 뇌파계가 고려 될 수 있지만, 착용 가능하고 휴대 가능해야하며 사용자 친화적이기 위해서는 최소한의 건조 전극이 필요합니다. 또한 프로그래밍하기 쉬운 장치를 사용하도록 시스템을 사용자 정의할 수 있습니다. 또한 처리 전략은 최종 성능을 결정합니다. 비록 프로세싱 전략이 설명된 시스템 설계에서 결정적인 것으로 보이지는 않았지만, 그것의 향상은 확실히 통신 및 제어 애플리케이션(10,11,19)을 위한 더 빠르고 더 정확한 시스템에 기여할 것이다.
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공개 사항
저자는 공개 할 것이 없습니다.
감사의 글
이 작업은 이탈리아 교육부, 대학 및 연구부(MIUR)가 재정적으로 지원한 보건을 위한 ICT 프로젝트의 일환으로 우수 부서(이탈리아 예산법 번호 232/2016)에 따라 나폴리 페데리코 II 대학의 정보 기술 및 전기 공학과에 수여된 우수 보조금을 통해 수행되었습니다. 나폴리, 이탈리아. 이 프로젝트는 Res4Net 이니셔티브와 IEEE Instrumentation and Measurement Society의 TC-06(Emerging Technologies in Measurements)의 지원으로 가능했습니다. 또한 시스템 개발, 테스트 및 검증에 귀중한 기여를 해주신 L. Callegaro, A. Cioffi, S. Criscuolo, A. Cultrera, G. De Blasi, E. De Benedetto, L. Duraccio, E. Leone 및 M. Ortolano에게도 감사의 뜻을 전합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| Ag/AgCl 코팅된 전도성 고무 | AB 메디카 S.p.A. | N/A | 대체 전극 – type 2 |
| Earclip electrode | OpenBCI | N/A | Ear Clip |
| EEG-AE | Olimex | N/A | Active electrodes |
| EEG-PE | Olimex | N/A | passive electrode |
| EEG-SMT | Olimex | N/A | Low-cost electroencephalograph |
| Moverio BT-200 | Epson | N/A | Smart 안경 |
| 스냅 전극 | OpenBCI | N/A | 대체 전극 – type 1 |
참고문헌
- 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).
- 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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재인쇄 및 허가
