Artefacts

Lors de l'utilisation des casques EEG, certains signaux peuvent interférer avec les mesures des ondes cérébrales. Ces signaux indésirables, appelés « artefacts », se présentent sous deux types principaux :

Artefacts intrinsèques : Ceux-ci sont causés par des biosignaux normaux provenant de votre corps, tels que :

• Activité des muscles faciaux, du cou et de la mâchoire : sourire, serrer les dents, froncer les sourcils, cligner des yeux, faire un clin d'œil, mâcher, parler, tourner la tête (muscles du cou). Chaque groupe musculaire est plus proche de certains capteurs EEG et beaucoup plus distant d'autres, donc le signal détecté à chaque emplacement est différent, rendant les artefacts plus difficiles à éliminer. En fait, Emotiv utilise des méthodes de traitement du signal et d'apprentissage automatique pour démêler la distribution des signaux musculaires afin de déduire quels groupes s'activent et ainsi identifier vos expressions faciales !

• Activité oculaire : Chacun de vos globes oculaires a une forte concentration de nerfs sur la surface arrière (rétine, nerfs optiques) et presque aucun nerf sur la surface avant. En fait, votre globe oculaire agit comme un grand dipôle avec un déséquilibre de charge électrique de l'avant à l'arrière. Lorsque vos yeux tournent dans leurs orbites, le champ dipolaire change de direction pour pointer vers l'endroit où vous regardez, ce qui est détecté comme un changement du biopotentiel de fond qui est incliné différemment par rapport à chaque capteur EEG - ce qui signifie qu'il ne s'agit pas d'un signal commun entre les capteurs. Des artefacts de signal supplémentaires sont générés par les muscles contrôlant la rotation de vos yeux.

• Signaux cardiaques : Votre cœur est une source importante de signaux musculaires bruts qui peuvent parfois être détectés directement par certains ou tous les canaux EEG, de la même manière qu'un électrocardiogramme est enregistré. Les complexes caractéristiques P-Q-R-S-T peuvent être directement observés occasionnellement dans certains canaux EEG. Un deuxième type d'artefact cardiaque provient de grands vaisseaux sanguins qui se dilatent et se contractent lorsque le cœur pompe le sang à travers vos artères. Les parois artérielles sont musculaires, et génèrent des signaux secondaires lorsqu'elles se dilatent et se contractent en synchronisation avec notre rythme cardiaque. Enfin, si vous placez un capteur directement adjacent à une artère importante, le capteur peut être déplacé mécaniquement par la modification de la forme et de la taille du vaisseau, entraînant des mouvements rythmiques du capteur à la surface de la peau, ce qui peut modifier l'impédance de contact et induire des tensions fictives suivant un schéma cyclique.

Ces actions créent des signaux musculaires, oculaires et d'autres biosignaux qui peuvent se mêler aux données des ondes cérébrales. En général, ces biosignaux sont nettement plus importants que les signaux cérébraux, rendant la détection de l'activité cérébrale difficile à moins qu'une forme de filtrage et de séparation des sources ne soit entreprise.

Les artefacts intrinsèques se répartissent en catégories spécifiques et prévisibles, et il existe de nombreux outils de prétraitement qui peuvent être appliqués pour les éliminer sélectivement. La méthode la plus courante est l'Analyse en Composantes Indépendantes (ICA, disponible dans de nombreuses bibliothèques telles que EEGLab, NME et autres), et les méthodes de Reconstruction de Sous-Espace d'Artefact (ASR, rASR, plus efficaces en calcul que l'ICA). Ces modèles reposent sur le fractionnement d'un signal temporel en différents composants, puis la reconstitution du signal à partir d'un sous-ensemble de ces composants qui ne sont pas associés à différents types d'artefacts.

Les données EEG d'Emotiv sont livrées à l'ordinateur hôte sous une forme aussi propre que possible, mais sans éliminer les artefacts biosignaux intrinsèques qui peuvent intéresser différents utilisateurs, et qui améliorent également la capacité des méthodes ICA et rASR à éliminer les classes connues d'artefacts intrinsèques car leurs signaux ne sont pas déformés par le filtrage sur l'appareil.

Artefacts extrinsèques : Ceux-ci proviennent de sources externes, telles que :

• Capteurs qui glissent, le casque qui bouge sur votre tête ou qui est heurté

• Champs électriques rayonnés par les appareils, les ordinateurs et autres équipements, les transformateurs et le câblage électrique, en particulier à la fréquence de la ligne électrique (50/60 Hz) et aux multiples harmoniques de ces fréquences. Le bruit de la ligne électrique est souvent la source la plus forte d'artefacts dans les signaux EEG. 

• Tous les systèmes EEG modernes utilisent des convertisseurs de signal analogique-numérique qui fonctionnent à une fréquence d'échantillonnage fixe. Un phénomène bien connu avec l'échantillonnage numérique est l'aliasing, qui se produit lorsque le système d'échantillonnage rencontre un signal qui a des composantes de fréquence plus élevées que 50% de la fréquence d'échantillonnage (la fréquence de Nyquist). Par exemple, lors de l'échantillonnage à 128 Hz, la fréquence de Nyquist est de 64 Hz, juste au-dessus de la fréquence de la ligne électrique à 60 Hz. Cependant, les harmoniques de 60 Hz : [120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, …] "s'enroulent" autour de la fréquence de Nyquist et apparaissent comme des signaux factices ou "aliasés" à 8 Hz, 24 Hz, 16 Hz et ainsi de suite, car le système numérique échantillonne une partie de chaque deuxième, troisième, quatrième... cycle de ces signaux à haute fréquence. Les harmoniques élevées des radiations de la ligne électrique sont présentes car les courants et les champs rayonnés dans les systèmes électriques ne sont rarement des ondes sinusoïdales parfaites. Il y a généralement une puissance rayonnée substantielle détectable jusqu'à environ le 10e harmonique. Ces signaux à haute fréquence aliasés sont indiscernables des oscillations réelles à des fréquences plus basses dans la plage typique des signaux cérébraux, donc ils doivent être retirés du signal entrant avant qu'il ne soit présenté au système d'échantillonnage.

• Champs électriques statiques d'objets chargés et de personnes à proximité : l'accumulation de charge électrostatique peut entraîner des différences de potentiel de plusieurs milliers de volts entre vous et d'autres personnes et objets environnants. Par exemple, un objet positivement chargé attirera les charges négatives dans votre corps et votre tête vers cet objet, et repoussera les charges négatives, entraînant une répartition inégale du potentiel corporel sous différents capteurs EEG. Les appareils Emotiv utilisent une détection couplée en courant alternatif (filtrage analogique passe-haut), avec un seul point de référence, pour découpler dans une large mesure la répartition inégale des charges statiques. Cependant, si vous ou l'une de ces sources chargées vous déplacez, la charge se déplace autour de votre corps causant un potentiel changeant, qui peut être assez rapide pour être transmis à travers les filtres.

• Votre potentiel électrostatique peut changer lentement ou instantanément si vous prenez une charge ou vous déchargez rapidement, comme en marchant sur un tapis ou en touchant des objets métalliques, peut-être en générant une étincelle. Le potentiel de votre corps peut changer de plusieurs dizaines de milliers de volts en un instant, en quelques secondes, ou sur de plus longues périodes. Ces changements peuvent temporairement submerger les circuits d'annulation du potentiel corporel dans les systèmes EEG portables, entraînant des pointes massives et un rétablissement plus lent des signaux EEG.
  Les systèmes EEG en laboratoire peuvent être protégés contre bon nombre de ces artefacts, par exemple en limitant le mouvement du sujet, en blindant électriquement le laboratoire, en fixant un conducteur de mise à la terre sur le sujet pour éviter l'accumulation électrostatique, en utilisant une fréquence d'échantillonnage très élevée, etc.
  
  Les systèmes EEG sans fil, fonctionnant sur batterie, ne peuvent pas se fier à ces mesures et doivent donc utiliser une gamme de stratégies d'atténuation. Le taux de transmission des données doit être équilibré par rapport à la durée de vie de la batterie, car les émetteurs sans fil sont assez gourmands en énergie.

Réduire les interférences

Les casques EEG sont conçus pour minimiser le bruit indésirable. La plupart des sources de bruit externes telles que l'électricité statique et les interférences électromagnétiques (par exemple, bruits de 50/60 Hz et harmoniques des lignes électriques) apparaissent comme un Bruit de Mode Commun, où le potentiel corporel sous-jacent oscille approximativement de la même manière sur tous les capteurs. 

Les dispositifs Emotiv utilisent un capteur de référence à point unique (CMS) pour mesurer le potentiel corporel, combiné avec un système d'annulation active dans le domaine analogique (le signal CMS est inversé et renvoyé au capteur DRL pour annuler les oscillations de Mode Commun et dériver un niveau de référence EEG à faible bruit pour les amplificateurs d'entrée différentielle. Filtres analogiques passe-haut (couplage AC) et passe-bas (filtre anti-alias), suréchantillonnage significatif à 2048 Hz, suivi par un filtrage numérique successif en sous-Nyquist, filtrage en double encoche à 50/60 Hz et sous-échantillonnage à la fréquence de transmission des données (128 ou 256 Hz) dans le domaine numérique dans le processeur DSP du casque avant transmission. Ces mesures atténuent la plupart des sources de bruit extrinsèques à des niveaux indétectables lorsque le casque est correctement filtré et que les impédances de contact sont faibles.

Les artefacts de mouvement sont minimisés par notre conception mécanique qui soutient indépendamment chaque capteur et s'adapte à la taille et à la forme de chaque utilisateur.

Comment EmotivPRO traite les données

Les données EEG dans EmotivPRO sont enregistrées exactement telles qu'elles sont reçues du casque. Le logiciel ne supprime pas automatiquement les artefacts dus aux mouvements des muscles ou des yeux car les techniques de nettoyage des données (comme ICA) fonctionnent mieux sur les données brutes, non filtrées. Cependant, comme indiqué ci-dessus, les casques Emotiv appliquent un traitement de signal soigneusement conçu qui aide à produire des signaux propres lorsque le casque est bien en contact, rendant les données des ondes cérébrales plus faciles à analyser.