Artefakty

Podczas używania zestawów słuchawkowych EEG niektóre sygnały mogą zakłócać pomiary fal mózgowych. Te niechciane sygnały, zwane „artefaktami”, występują w dwóch głównych typach:

Artefakty wewnętrzne: Są spowodowane normalnymi biosygnałami pochodzącymi z ciała, takimi jak:

• Aktywność mięśni twarzy, szyi i żuchwy: Uśmiechanie się, zaciskanie zębów, marszczenie czoła, mruganie, puszczanie oczka, żucie, mówienie, obracanie głowy (mięśnie szyi). Każda grupa mięśni znajduje się bliżej niektórych czujników EEG, a znacznie dalej od innych, więc sygnał wykrywany w każdej lokalizacji jest inny, co sprawia, że artefakty są trudniejsze do usunięcia. W rzeczywistości Emotiv wykorzystuje metody przetwarzania sygnałów i uczenia maszynowego, aby rozplątać rozkład sygnałów mięśniowych, aby ustalić, które grupy są aktywne, a tym samym zidentyfikować twoje ekspresje twarzy!

• Aktywność oczu: Każde z twoich oczu ma dużą koncentrację nerwów na tylnej powierzchni (siatkówka, nerwy wzrokowe) i niemal żadnych nerwów na przedniej powierzchni. W efekcie twoje oko działa jak duży dipol z brakiem równowagi ładunku elektrycznego z przodu na tył. Gdy twoje oczy obracają się w swoich oczodołach, pole dipolowe zmienia kierunek, aby wskazywać w stronę, w którą się patrzysz, a to jest wykrywane jako zmiana w tle biopotencjału, co jest ustawione pod innym kątem względem każdego czujnika EEG - co oznacza, że nie jest to powszechny sygnał w różnych czujnikach. Dodatkowe artefakty sygnałowe są generowane przez mięśnie kontrolujące ruchy oczu.

• Sygnały sercowe: Twoje serce jest istotnym źródłem surowych sygnałów mięśniowych, które mogą czasami być wykrywane bezpośrednio przez niektóre lub wszystkie kanały EEG, w taki sam sposób, w jaki rejestruje się elektrokardiogram. Charakterystyczne zespoły P-Q-R-S-T mogą być czasami bezpośrednio obserwowane w niektórych kanałach EEG. Drugi rodzaj artefaktu sercowego powstaje z dużych naczyń krwionośnych, które rozszerzają się i kurczą, gdy serce pompuje krew przez tętnice. Ściany tętnic są mięśniowe i generują drugorzędne sygnały, gdy rozszerzają się i kurczą w synchronizacji z naszym biciem serca. Wreszcie, jeśli przypadkiem umieścisz czujnik bezpośrednio obok istotnej tętnicy, czujnik może ulec mechanicznemu przemieszczeniu przez zmieniający się kształt i rozmiar naczynia, co prowadzi do rytmicznych ruchów czujnika po powierzchni skóry, co może zmienić impedancję kontaktu i indukować fałszywe napięcia w cyklicznym wzorze.

Te działania tworzą sygnały mięśniowe, oczne i inne biosygnały, które mogą łączyć się z danymi fal mózgowych. Zazwyczaj te biosygnały są znacznie większe od sygnałów mózgowych, co utrudnia wykrywanie aktywności mózgu, chyba że zostaną podjęte jakieś formy filtracji i separacji źródeł.

Wewnętrzne artefakty można sklasyfikować w konkretne, przewidywalne kategorie, a wiele narzędzi wstępnego przetwarzania można zastosować do ich selektywnego usunięcia. Najpopularniejszą metodą jest analiza niezależnych składników (ICA, dostępna w wielu bibliotekach, takich jak EEGLab, NME i inne) oraz metody rekonstrukcji podprzestrzeni artefaktów (ASR, rASR, bardziej wydajne obliczeniowo niż ICA). Modele te polegają na rozbiciu sygnału czasowego na różne składniki, a następnie ponownym złożeniu sygnału z podzbioru tych składników, które nie są związane z różnymi typami artefaktów.

Dane EEG Emotiv są dostarczane do hosta PC w możliwie jak najbardziej czystej formie, ale bez usuwania wewnętrznych artefaktów biosygnałowych, które mogą być interesujące dla różnych użytkowników i które również zwiększają zdolność metod ICA i rASR do usuwania znanych klas wewnętrznych artefaktów, ponieważ ich sygnały nie są zniekształcone przez filtrację na urządzeniu.

Artefakty zewnętrzne: Pochodzą z zewnętrznych źródeł, takich jak:

• Przesuwanie się czujników, przemieszczanie się zestawu słuchawkowego na twojej głowie lub uderzanie go

• Promieniowane pola elektryczne z urządzeń, komputerów i innego sprzętu, transformatorów i okablowania elektrycznego, szczególnie na częstotliwości linii zasilającej (50/60 Hz) oraz harmonicznych tych częstotliwości. Szum sieci elektrycznej jest często najsilniejszym źródłem artefaktów w sygnałach EEG. 

• Wszystkie nowoczesne systemy EEG używają analogowo-cyfrowych konwerterów sygnałowych, które działają przy stałej częstotliwości próbkowania. Znanym zjawiskiem związanym z próbkowaniem cyfrowym jest aliasing, który występuje, gdy system próbkowania napotyka sygnał, który ma składowe częstotliwości wyższe niż 50% częstotliwości próbkowania (częstotliwość Nyquista). Na przykład, gdy próbkowanie odbywa się z częstotliwością 128 Hz, częstotliwość Nyquista wynosi 64 Hz, tuż powyżej 60 Hz częstotliwości linii zasilającej. Jednak harmoniczne 60 Hz: [120 Hz, 180 Hz, 240 Hz, …] „owijają się” wokół częstotliwości Nyquista i pojawiają się jako fałszywe lub „aliasowane” sygnały przy 8 Hz, 24 Hz, 16 Hz i tak dalej, ponieważ system cyfrowy próbuje jednocześnie wyróżnić część każdego drugiego, trzeciego, czwartego ... cyklu tych sygnałów o wysokiej częstotliwości. Wysokie harmoniczne promieniowania z linii zasilającej są obecne, ponieważ prądy i promieniowane pola w systemach zasilania rzadko mają idealną sinusoidę. Zazwyczaj można wykryć znaczne promieniowanie mocy do około 10. harmonicznej. Te aliasowane sygnały o wysokiej częstotliwości są nieodróżnialne od prawdziwych oscylacji o niższych częstotliwościach w typowym zakresie sygnałów mózgowych, więc muszą zostać usunięte z nadchodzącego sygnału przed dostarczeniem go do systemu próbkowania.

• Pola elektryczne statyczne z naładowanych obiektów i osób w pobliżu: Gromadzenie ładunku elektrostatycznego może prowadzić do różnic potencjału wynoszących wiele tysięcy woltów między tobą a innymi ludźmi i otaczającymi obiektami. Na przykład naładowany dodatnio obiekt przyciągnie ujemne ładunki w twoim ciele i głowie w stronę tego obiektu, a ładunki ujemne będą odpychane, co skutkuje nierównym rozkładem potencjału ciała pod różnymi czujnikami EEG. Urządzenia Emotiv wykorzystują czujniki z połączeniem AC (filtracja górno-przejrzysta), z pojedynczym punktem odniesienia, aby w znacznym stopniu odłączyć nierówny rozkład ładunku statycznego. Jednak jeśli ty lub którykolwiek z tych naładowanych źródeł poruszacie się, ładunek porusza się wokół twojego ciała, co prowadzi do zmieniającego się potencjału, który może być wystarczająco szybki, aby przesłać przez filtry.

• Twój potencjał elektrostatyczny może zmieniać się powoli lub natychmiastowo, jeśli naładujesz się lub szybko się rozładujesz, na przykład chodząc po dywanie lub dotykając metalowych obiektów, być może generując iskrę. Twój potencjał ciała może zmieniać się o dziesiątki tysięcy woltów w mgnieniu oka, kilka sekund lub dłuższych okresów. Zmiany te mogą tymczasowo przeważać nad obwodami odwołującymi potencjał ciała w noszonych systemach EEG, prowadząc do ogromnych szczytów i wolniejszych powrotów w sygnałach EEG.
  Systemy EEG oparte na laboratoriach mogą być chronione przed wieloma z tych artefaktów, na przykład poprzez ograniczenie ruchu badanego, elektryczne ekranowanie laboratorium, podłączenie przewodu uziemiającego do badanego, aby zapobiec gromadzeniu się ładunku elektrostatycznego, bardzo wysoką częstotliwość próbkowania i tak dalej.
  
  Noszone, zasilane bateriami bezprzewodowe systemy EEG nie mogą polegać na tych środkach i dlatego muszą stosować szereg strategii łagodzących. Stawka transmisji danych musi być zrównoważona z żywotnością baterii, ponieważ bezprzewodowe nadajniki są dość energożerne.

Redukcja zakłóceń

Zestawy słuchawkowe EEG są zaprojektowane w celu zminimalizowania niepożądanych zakłóceń. Większość zewnętrznych źródeł hałasu, takich jak elektryczność statyczna i zakłócenia elektromagnetyczne (np. hałas 50/60 Hz i harmoniczne z linii zasilających) pojawia się jako hałas wspólny, gdzie podstawowy potencjał ciała oscyluje w przybliżeniu w ten sam sposób we wszystkich sensorach. 

Urządzenia Emotiv wykorzystują sensor odniesienia w jednym punkcie (CMS), aby mierzyć potencjał ciała, w połączeniu z aktywnym systemem anulowania w domenie analogowej (sygnał CMS jest odwracany i zwracany do sensora DRL w celu anulowania oscylacji wspólnego trybu i uzyskania niskopoziomowego odniesienia EEG dla wzmacniaczy wejściowych różnicowych. Filtry analogowe górnoprzepustowe (połączenie AC) i dolnoprzepustowe (filtr analogowy antyaliasowy), znaczne nadpróbkowanie przy 2048 Hz, następnie sukcesywna cyfrowa filtracja poniżej Nyquista, filtracja dwutonowa 50/60 Hz i próbkowanie do częstotliwości transmisji danych (128 lub 256 Hz) w domenie cyfrowej w procesorze DSP  w zestawie słuchawkowym przed transmisją. Te środki tłumią większość zewnętrznych źródeł hałasu do poziomów nieodłączych, gdy zestaw słuchawkowy jest prawidłowo filtrowany, a impedancje kontaktów są niskie.

Artefakty ruchowe są minimalizowane dzięki naszemu mechanicznemu projektowi, który niezależnie wspiera każdy sensor i dostosowuje się do rozmiaru i kształtu każdego użytkownika.

Jak EmotivPRO obsługuje dane

Dane EEG w EmotivPRO są rejestrowane dokładnie tak, jak są odbierane z zestawu słuchawkowego. Oprogramowanie nie usuwa automatycznie artefaktów z ruchów mięśniowych lub oczu, ponieważ techniki czyszczenia danych (jak ICA) lepiej działają na surowych, nieprzefiltrowanych danych. Jednak, jak opisano powyżej, zestawy słuchawkowe Emotiv stosują starannie opracowaną obróbkę sygnałów, która pomaga wyprodukować czyste sygnały, gdy zestaw słuchawkowy ma dobry kontakt, co ułatwia analizę danych o falach mózgowych.