アーティファクト

EEGヘッドセットを使用すると、一部の信号が脳波測定に干渉することがあります。このような不要な信号は「アーティファクト」と呼ばれ、主に2つのタイプに分けられます:

内因性アーティファクト: これらは、次のような体から発生する正常な生体信号によって引き起こされます:

• 顔、首、顎の筋肉の活動: 微笑む、歯を食いしばる、眉間にしわを寄せる、まばたき、ウインク、咀嚼、話す、頭を回す（首の筋肉）。各筋肉群は、一部のEEGセンサーに近く、他のセンサーからはるかに離れて配置されているため、各場所で検出される信号は異なり、アーティファクトの除去が難しくなります。実際、Emotivは信号処理と機械学習の方法を使用して、筋肉信号の分布を解きほぐし、どのグループが活動しているかを推測し、それによってあなたの顔の表情を識別します！

• 眼球活動: 各眼球の後面（網膜、視神経）には高濃度の神経があり、前面にはほとんど神経がありません。実際、眼球は前後の電荷の不均衡によって大きな双極子として機能します。目がそのソケット内で回転すると、双極子場の方向が変わり、見ている方向に向かいます。これは、背景の生体電位の変化として検出されます。この信号は各EEGセンサーに対して異なる角度で検出されるため、センサー全体で共通の信号ではありません。追加の信号アーティファクトは、眼球回転を制御する筋肉によって生成されます。

• 心臓信号: 心臓は、生の筋肉信号の重要な源であり、一部またはすべてのEEGチャネルによって直接検出されることがあります。これは、心電図が記録されるのと同様です。特性のあるP-Q-R-S-T複合体は、一部のEEGチャネルで時折直接観察されることがあります。心臓から血液を動脈に送り出す際に、拡張・収縮する大きな血管から生じる2種類目の心臓アーティファクトが存在します。動脈の壁は筋肉構造であり、心拍と同期して拡張および収縮する際に2次信号を生成します。最後に、センサーを大きな動脈に直接隣接させた場合、動脈の形とサイズの変化によってセンサーが機械的にずれることになり、皮膚表面に沿ったセンサーの周期的な動きにより接触インピーダンスが変化し、周期パターンで偽の電圧が誘発される可能性があります。

これらの動作は、脳波データと混ざる筋肉、目、その他の生体信号を生成します。通常、これらの生体信号は脳信号よりもはるかに大きいため、フィルタリングやソース分離の形式を行わない限り、脳活動の検出は困難です。

内因性アーティファクトは、特定の予測可能なカテゴリに分類され、さまざまな事前処理ツールを使用して選択的に削除できます。最も一般的な方法は、独立成分分析（ICA、EEGLab、NMEなどの多くのライブラリで利用可能）とArtefact Subspace Reconstruction（ASR、rASR、ICAよりも計算効率が高い）です。これらのモデルは、一連の時間的信号を異なる成分に分解し、それから異なるタイプのアーティファクトに関連していないこれらの成分のサブセットから信号を再構成することに基づいています。

Emotiv EEGデータは、ホストPCにできるだけクリーンな形で配信されますが、興味のあるさまざまなユーザーに伝えられる可能性のある内在性の生体信号アーティファクトを除去せず、それによりオンデバイスのフィルタリングによって信号が歪むことなく、ICAおよびrASRメソッドが内因性アーティファクトの既知のクラスを削除する能力が向上します。

外因性アーティファクト: これらは、次のような外部の要因から来ます:

• センサーのずれ、ヘッドセットが頭上で移動する、またはぶつかる

• 電化製品、コンピュータ、およびその他の機器、変圧器、電気配線からの放射電場、とりわけ電力線の周波数（50/60 Hz）およびこれらの周波数の高調波においてです。電力線騒音は、EEG信号に最も強いアーティファクトの原因であることが多いです。 

• すべての現代のEEGシステムは、固定されたサンプリング周波数で動作するアナログ-デジタル信号変換器を使用しています。デジタルサンプリングのよく知られた現象はエイリアシングであり、サンプリングシステムがサンプリング周波数の50％を超える周波数成分を持つ信号と遭遇したときに発生します（ナイキスト周波数）。たとえば、128Hzでのサンプリングでは、ナイキスト周波数は64Hzであり、60Hzパワーライン周波数をわずかに超えています。しかし、60Hzの高調波は、ナイキスト周波数を「ラップアラウンド」して、これらの高周波信号の1秒ごとの、3分の1、4分の1のサイクルの一部をサンプルするため、8Hz、24Hz、16Hzなどとして偽または「エイリアス化された」信号として現れます。電力線放射の高調波は、電力システムの電流と放射場がほとんどの場合完璧な正弦波ではないため、通常含まれます。典型的には、約10次高調波までの放射電力がかなり検出可能です。これらのエイリアス化された高周波信号は、通常の脳信号の範囲内の低周波振動と区別がつかないため、サンプリングシステムに提示される前に入力信号から削除する必要があります。

• 近くにある帯電した物体や人からの静電場: 静電荷が蓄積すると、他の人や周囲の物体との間に数千ボルトの電位差が生じる可能性があります。例えば、正に帯電した物体は、あなたの体や頭の中の負の電荷をその物体に引き寄せ、負の電荷を反発させ、さまざまなEEGセンサーの下にある体の電位の不均一な分布を引き起こします。Emotivデバイスは、ACカップルドセンシング（アナログハイパスフィルタリング）を使用し、単一の参照点を持ち、静電荷分布の不均一をかなりの程度で解消します。しかし、あなたやこれらの帯電した源が移動すると、体を巡る電荷が移動し、フィルタを通じて伝達される可能性がある電位の変化を引き起こすことがあります。

• あなたの静電位は、カーペットの上を歩いたり、金属物体に触れるように急速に放電したりすることで、ゆっくりとまたは瞬時に変化する可能性があります。例えば、スパークを発生させるような場合です。あなたの体の電位は瞬間的に、数秒間、あるいはより長い期間にわたって、何万ボルトもの変化をもたらす可能性があります。これらの変化により、ウェアラブルEEGシステムの体電位キャンセル回路が一時的に圧倒され、大きなスパークとEEG信号のスローリカバリーを引き起こすことがあります。
  ラボベースのEEGシステムは、被験者の動きを制限することで、多くのこれらのアーティファクトに対して保護されることができます。例えば、ラボを電気的にシールドし、被験者に静電蓄積を防ぐためのアース接続リードを取り付ける、非常に高いサンプリング周波数などです。
  
  ウェアラブルでバッテリ駆動の無線EEGシステムは、これらの対策に依存できないため、多様な緩和戦略を取る必要があります。データ伝送率は、バッテリー寿命と対比させる必要があります。ワイヤレス送信機はかなりの電力を消費します。

干渉の低減

EEGヘッドセットは、不要なノイズを最小限に抑えるように設計されています。静電気や電磁干渉（例：電力線による50/60 Hzノイズと高調波）などのほとんどの余計なノイズ源は、共通モードノイズとして現れ、基礎の体電位がすべてのセンサーでほぼ同じように振動しています。 

Emotivデバイスは、単一の参照センサー（CMS）を使用して体電位を測定し、アナログ領域での積極的なキャンセルシステムと組み合わせています（CMS信号は反転され、共通モード振動をキャンセルし、低ノイズのEEG基準レベルを差動入力アンプに導出するためにDRLセンサーにフィードバックされます。AC結合のハイパスフィルターとローパスのアナログフィルター（エイリアス防止アナログフィルター）、2048Hzでの重要なオーバーサンプリング、その後サブナイキストデジタルフィルタリング、50/60Hzデュアルノッチフィルタリングとデータ伝送周波数（128または256Hz）へのダウンサンプリングは、ヘッドセット内のDSPプロセッサ内で行われ、送信前にデジタル領域で行われます。これらの措置は、ヘッドセットが正しくフィルタリングされ、接触インピーダンスが低い場合、ほとんどの外因性ノイズ源を検出できないレベルまで減衰します。

動きのアーティファクトは、各ユーザーのサイズと形に合わせて独立して各センサーをサポートし調整する私たちの機械設計により最小化されます。

EmotivPRO がデータを処理する方法

EmotivPROのEEGデータは、ヘッドセットから受け取ったままの形で記録されます。ソフトウェアは、筋肉や眼球の動きからのアーティファクトを自動的に除去することはありません。なぜなら、データクリーニング技術（ICAなど）は、生のフィルターなしデータでより効果的に機能するためです。しかし、上記のように、Emotivヘッドセットは、良好な接触がある場合にクリーンな信号を生成するのを助ける慎重に設計された信号処理を適用し、脳波データの分析を容易にします。