Uso de sinais de EEG para interface cérebro-computador

 

Sistemas de Interfaces Cérebro-Computador (BCI, no inglês, Brain Computer Interface) são uma alternativa artificial à comunicação direta entre o sistema nervoso central (SNC) e dispositivos externos ao corpo humano. Nesses sistemas, o registro da atividade elétrica cerebral é utilizado para gerar sinais de controle para serem aplicados aos dispositivos.

Na área clínica, sistemas BCI’s podem ser utilizados para auxiliar o processo de reabilitação de pacientes que apresentam algum tipo de desordem na comunicação entre o sistema motor e o SNC. Ou ainda, podem ser utilizados em outras áreas, como o entretenimento com aplicações diretas em jogos que utilizam realidade virtual.

Sistemas BCI se aproveitam do constante processamento de informações que o cérebro realiza. A atividade elétrica cerebral induz potenciais elétricos que são registrados no escalpo do sujeito num procedimento conhecido como Eletroencefalograma (EEG).    

Sinais de EEG são utilizados para decodificar informações que expressam a intenção do sujeito. Para isso, a aquisição dos sinais de EEG é realizada de acordo com um protocolo experimental, onde o sujeito é convidado a desenvolver tarefas mentais predeterminadas. Assim, algoritmos de processamento de sinais são utilizados para reconhecer padrões que contém a informação relacionada a intenção do sujeito.

Embora alguns experimentos em laboratório têm-se mostrado promissores, principalmente, ao apresentar taxas de sucesso ao reconhecer os padrões envolvidos, acima de 80%, ainda há limitações no uso dessa tecnologia em ambientes externos aos laboratórios. Por exemplo, os sinais de EEG apresentam características de não-estacionariedade, relação sinal ruído (SNR) baixa e presença de artefatos que dificultam a generalização dos resultados.

Para mais detalhes sobre os conceitos básicos e os princípios de funcionamento de Sistemas BCI, por favor, clique aqui.

Alguns grupos de pesquisa em Interface Cérebro-computador.

Curso online sobre sistemas Interface Cérebro-computador. 

 

 

Diagrama esquemático de um Sistema de Interface Cérebro-computador

Os sistemas BCI, em geral, são organizados em etapas, tais como: registrar sinais da atividade elétrica cerebral; realizar o pré-processamento desses sinais; extrair características e traduzi-las em sinais de comandos para o acionamento de dispositivos externos. Segue uma breve descrição dessas etapas, para maiores detalhes consulte [3] em Referências Básicas. 

 

Tema 1 para pesquisa  ......... Tema 2 para pesquisa

Resumo:

Sistemas de interface cérebro computador são sistemas que utilizam o registro da atividade elétrica cerebral para controlar a ativação de dispositivos externos. No registro da atividade elétrica cerebral de forma não invasiva via Eletroencefalograma (EEG) posiciona-se eletrodos no escalpo do sujeito. Os sinais registrados apresentam elevada contaminação por ruídos de medição e artefatos gerados por movimentos involuntários do indivíduos e também pela atividade muscular. A supressão desses elementos ainda é um desfio sistemas BCI. Tem-se utilizado filtragem temporal clássica para lidar com essas barreiras. No entanto, a utilização de ferramentas avançadas de processamento de sinais, como transformada Wavelets é uma abordagem promissora. Neste trabalho propõe-se a realizar o processamento de sinais EEG via Wavelets, em conjunto com algoritmos de classificação baseados em distâncias não euclidianas de matrizes de Covariância. 

 

  

Resumo:

O cérebro humano é um sistema dinâmico complexo composto por bilhões de células nervosas chamadas neurônios. Aglomerados de neurônios em áreas específicas do cérebro estão continuamente sendo ativado ou desativado para executar funções específicas. Estas atividades em curso podem ser gravadas de um modo não invasivo por meio de um electroencefalograma (EEG), que capta a atividade elétrica, na forma de gráficos. Estes dados, leitura de vários eletrodos colocados sobre o couro cabeludo, pode então ser processado para localizar a atividade cerebral. Este trabalho propõe utilizar técnicas de localização de fonte cerebrais que podem ser separadas em duas abordagens: por um problema forward e por um problema inverso. No problema forward, fontes cerebrais simuladas são colocadas dentro do modelo do cérebro e os potenciais do couro cabeludo são estimados tendo em conta as características físicas do cérebro. No problema inverso, é utilizado as informações obtidas como problema forward para estimar a localização, magnitude e orientação das fontes que deram origem aos dados de EEG gravados. Assim o estudo de localização das fontes cerebrais a partir dos biossinais obtidos durante o EEG aponta para uma linha de pesquisa promissora, pois podem ser utilizadas no processamento e análise de biossinais, assim como para auxílio a sistemas Interfaces Cérebro-computador.

 

 

 

Referências Básicas

[1] Lebedev MA, Tate AJ, Hanson TL, Li Z, O’Doherty JE, Winans JA, Ifft PJ, Zhuang KZ, Fitzsimmons NA, Schwarz DA, Fuller AM, An JH, Nicolelis MAL. Future developments in brain-machine interface research. Clinics. 2011; 66(S1):25-32.

[2] J.d.R. Millán, R. Rupp, G.R. Muller-Putz, R. Murray-Smith, C. Giugliemma, M. Tangermann, C. Vidaurre, F. Cincotti, A. Kubler, R. Leeb, C. Neuper, K.R. Muller, and D. Mattia. Combining Brain-Computer Interfaces and Assistive Technologies: State of the Art and Challenges. Frontiers in Neuroscience, vol 4, pp.161, 2010, doi:10.3389/fnins.2010.00161

[3] Ali Bashashati, Mehrdad Fatourechi, Rabab K Ward1, and Gary E Birch. A survey of signal processing algorithms in brain–computer interfaces based on electrical brain signals. J. Neural Eng. 4 (2007) R32–R57. doi:10.1088/1741-2560/4/2/R03

[4] Jonathan R. Wolpawa, Niels Birbaumer, Dennis J. McFarland, Gert Pfurtscheller, Theresa M. Vaughan. Brain–computer interfaces for communication and control. Clinical Neurophysiology 113 (2002) 767–791.

[5] Mikhail A. Lebedev and Miguel A.L. Nicolelis. Brain–machine interfaces: past, present and future. TRENDS in Neurosciences Vol.29 No.9. doi:10.1016/j.tins.2006.07.004

[6] Bernhard Graimann, BrendanAllison, Gert Pfurtscheller. BRAIN–COMPUTER INTERFACES: Revolutionizing Human–Computer Interaction. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010. DOI 10.1007/978-3-642-02091-9


Alguns Vídeos [links]

 

Thought control of robotic arms using the BrainGate system.

 

Brain Computer Interfaces: BCI Technology
 

Monkey controls robotic arm with brain computer interface

 

 Miguel Nicolelis sobre o Cérebro e Deus