Interfaces cérebro-computador atráves de Eletroencefalogramacompmus.ime.usp.br/sites/ime.usp.br.compmus/files/seminario_bci.pdf · Ondas Alpha e Beta Ondas Mu Ondas Theta Ondas

Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface

EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais

Considerações �naisReferências

Interfaces cérebro-computador atráves de

Eletroencefalograma

Guilherme Feulo

Grupo de Computação Musical IME/USP

[email protected]

19 de novembro de 2013

1 / 36




Estrutura

1 Interfaces cérebro-computador

2 Tipos de interfaces

3 Eletroencefalograma

4 Classi�cação de sinais

5 Considerações Finais

2 / 36




De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle

Interfaces cérebro-computador

Uma interface cérebro computador é um sistema de comunicaçãoque gera sinais de controle utilizando sinais cerebrais, isto é, umsitema que traduz atividade cerebral em comandos para ocomputador ou outros dispositivos.

3 / 36





Aplicações

Bioengenharia

Medicina Diagnóstica

Pesquisas em neurociência

Interação Homem-máquina

4 / 36





Aplicações

Bioengenharia




5 / 36





Aplicações

Bioengenharia




6 / 36





Aplicações

Bioengenharia




7 / 36





Fluxo de Controle

Figura: Fluxo de Controle de uma interface cérebro-computador

8 / 36




SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos

Tipos de Interface

As interfaces cérebro computador podem ser classi�cadas como:

Síncrono ou Assíncrono

Invasivo, Semi-invasivo ou Não-invasivo

9 / 36





Tipos de Interface

As interfaces cérebro computador podem ser classi�cadas como:

Síncrono ou Assíncrono

Invasivo, Semi-invasivo ou Não-invasivo

10 / 36





Sincrono

Em sistemas Síncronos os sinais cerebrais são obtidos através daresposta a estimulos realizados pelo sistema ao usuário (podem servisuais, auditivos ou tácteis)

11 / 36





Assíncrono

Neste tipo de sistema é analisada a atividade voluntaria do usuário,esta análise é feita mantendo-se uma comunicação em tempointegral com a interface e analisando continuamente os sinaiscerebrais e classi�cando-os periodicamente.

12 / 36





Invasivos

Interfaces invasivas são implantadas diretamente no interior damatéria cinzenta do cerébro. Por estar em contato direto com amatéria cinzenta interfaces invasivas produzem maior qualidade desinal mas são propensas a formação de cicatrizes causandointerferências ou até mesmo perda total do sinal. As principaisaplicações de interfaces invasivas estão na construção de próteses,tanto motoras como visuais.

13 / 36





Semi-Invasivos

Interfaces semi-invasivas, são geralmente realizadas através deEletrocorticogra�a e onde são implantandos eletrodos no interior docrânio porém na parte externa do cérebro. Este tipo de interfaceapresenta um menor risco cirurgico e também de formação decicatrizes, porém apresenta uma dimuição na relação sinal ruído secomparada com uma interface invasiva.

14 / 36





Não-Invasivos

Interfaces não-invasivas consistem na captação do sinal cerebralatravés de exames cerebrais qua não involvem contato direto com océrebro, como por exemplo: ressonancia magnética funcional,magnetoencefalogra�a ou eletroencefalogra�a. Embora interfacesdeste tipo tenham menor custo, o sinal produzido por elas temresolução mto baixa se comparada com os outros métodos.

15 / 36




FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal

Eletroencefalograma

Eletroencefalogra�a (EEG) é a forma mais estudada dentre asinterfaces não-invasivas, principalemente por ter boa resoluçãotemporal, baixo custo e grande portabilidade.

16 / 36





Eletroencefalograma

Figura: Exemplo de Interface com EEG17 / 36





Funcionamento

Os sinais do eletroencefalograma são medidos utilizando-seeletrodos, posicionados na superfície do couro cabeludo, sensíveisas mudanças de potencial que ocorrem após a sinápse. Estespotenciais são criados em áres de polarição e despolarição locaisquando os neurotransmissores são disparados.

Por estarem localizados na super�cie do couro cabeludo, o sinalcaptado pelos eletrodos recebe interferência de sinais musculares dopescoço e face, além de sofrer um espalhamento causado pelare�exão do sinal no crânio.

18 / 36





Funcionamento

Os sinais do eletroencefalograma são medidos utilizando-seeletrodos, posicionados na superfície do couro cabeludo, sensíveisas mudanças de potencial que ocorrem após a sinápse. Estespotenciais são criados em áres de polarição e despolarição locaisquando os neurotransmissores são disparados.

Por estarem localizados na super�cie do couro cabeludo, o sinalcaptado pelos eletrodos recebe interferência de sinais musculares dopescoço e face, além de sofrer um espalhamento causado pelare�exão do sinal no crânio.

19 / 36





Posicionamento dos eletrodos

Estes eletrodos são posicionados de acordo do com o SistemaIntercional de posicionamento 10-20, para captar as diferenças depotencial das diferentes áreas do cérebro.

Figura: Sistema de Posicionamento de Eletrodos 10-20

20 / 36





Forma do Sinal

Outra característica das interfaces por eletroencefalograma é a suanatureza oscilatória que possibilita a análise dos dados utilizando-seda teoria de processamento de sinais.

Figura: EEG de um adulto fazendo multiplicações21 / 36




Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta

Classi�cação dos Sinais

A análise de um EEG é complexa, devido a grande quantidade deinformação recebida de cada eletrodo. Diferentes tipos de sinal sãoclassi�cados de acordo com a frequência, origem e até forma deonda. Embora nenhum destes sinais sejam produzids de formaisolada determinadas atividades do cérebro fazem com que algunstipos sobressaltem sobre outros. Existem 5 tipos que sãoparticularmente importantes:

22 / 36





Ondas Alpha e Beta

Ondas Alpha variam entre 8 e 13 hz, com amplitude de 30-50µV .Aparecem com mais força nos córtex frontal e ocipital e sãoassociados de relaxamento e desatenção.

Ondas Beta variam entre 13 e 30 Hz,e tem amplitude de 5-30µV .Ondas Beta são associadas com os estados e concentração, atençãoe solução de poblemas concretos. durante periodos de atividademental intensa pode atingir picos de até 50 HZ.

23 / 36





Ondas Alpha e Beta

Ondas Alpha variam entre 8 e 13 hz, com amplitude de 30-50µV .Aparecem com mais força nos córtex frontal e ocipital e sãoassociados de relaxamento e desatenção.

Ondas Beta variam entre 13 e 30 Hz,e tem amplitude de 5-30µV .Ondas Beta são associadas com os estados e concentração, atençãoe solução de poblemas concretos. durante periodos de atividademental intensa pode atingir picos de até 50 HZ.

24 / 36





Ondas Alpha e Beta

Figura: Ondas alpha (esquerda) e beta (direita)

25 / 36





Ondas Mu

Ondas Mu variam entre 8 e 12 Hz. Este tipó de onda esta associadoao moviento do corpo é localizado principalmente no córtex motor.

Figura: Ondas mu (esquerda) e alpha (direita)

26 / 36





Ondas Theta

Ondas Theta variam entre 4 e 7 Hz, com amplitudes que superam20µV .Este tipo de onda esta associada ao estresse emocional,especialmente frustação e desapontamento, assim como inspiraçãocriativa e estado de meditação.

Figura: Ondas Theta

27 / 36





Ondas Delta

Ondas Delta variam de 0.5 a 4 Hz. Este tipo de onda é associadoprincipalmente com o estado desacordado da mente e por muitasvezes é confundido com interferências vindas dos músculo do rostoe pescoço no EEG.

Figura: Ondas delta

28 / 36





Existem muitas outras classi�cações de sinais principalmentequando se trabalha com sistemas Sincronos, pois é possivelestabelecer uma janela temporal após o estimulo para observardiferentes respostas do cérebro.

Já nos sistemas assincronos grande parte dos sistemas trabalhamonitorando ondas alpha e mu, pois podemos alterar a amplitudedessas componentes realizando algum esforço mental comoimaginar uma �gura ou tentar realizar uma operação aritimética.

29 / 36





Existem muitas outras classi�cações de sinais principalmentequando se trabalha com sistemas Sincronos, pois é possivelestabelecer uma janela temporal após o estimulo para observardiferentes respostas do cérebro.

Já nos sistemas assincronos grande parte dos sistemas trabalhamonitorando ondas alpha e mu, pois podemos alterar a amplitudedessas componentes realizando algum esforço mental comoimaginar uma �gura ou tentar realizar uma operação aritimética.

30 / 36




Considerações Finais

Características das Interfaces por ELetroencefalograma:

Não-invasiva, portátil e de baixo custo

A qualidade do sinal é baixa

Pela característica dos sinal podemos usar processamento desinais para melhorá-lo

É atualmente o sistema mais utilizado para interfaces deinteração homem-máquina

31 / 36










32 / 36










33 / 36










34 / 36




Ochoa, Jorge B. (2002)EEG Signal Classi�cation for Brain Computer InterfaceApplicationsEcole Polytechnique Federale de Lausane

Roman-Gonzáles, A. (2012)EEG Signal processing for BCI ApplicationsUniversidad Nacional San Antonio Abad del Cusco

Sza�r, daniel (2010)Non-invasive BCI through EEGBoston College, Seniors Honors Thesis

35 / 36




Obrigado!

36 / 36

Documents

Interfaces cérebro-computador atráves de Eletroencefalogramacompmus.ime.usp.br/sites/ime.usp.br.compmus/files/seminario_bci.pdf · Ondas Alpha e Beta Ondas Mu Ondas Theta Ondas