Artefakty

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

Artefakty wewnętrzne: są spowodowane przez normalne sygnały biologiczne pochodzące z Twojego ciała, takie jak:

• Aktywność mięśni twarzy, szyi i szczęk: uśmiechanie się, zaciskanie zębów, marszczenie brwi, mruganie, puszczanie oczek, żucie, mówienie, odwracanie głowy (mięśnie szyi). Każda grupa mięśni znajduje się bliżej niektórych sensorów EEG i znacznie dalej od innych, więc sygnał wykryty w każdym miejscu jest różny, co sprawia, że artefakty są trudniejsze do usunięcia. W rzeczywistości Emotiv używa przetwarzania sygnałów i metod uczenia maszynowego do rozplątywania rozkładu sygnałów mięśniowych w celu dedukcji, które grupy się aktywują, a tym samym identyfikacji Twoich wyrazów twarzy!

• Aktywność oczna: Każda z Twoich gałek ocznych ma wysoką koncentrację nerwów na tylnej powierzchni (siatkówka, nerwy optyczne) i prawie żadnych nerwów na przedniej powierzchni. W efekcie, Twoja gałka oczna działa jak duży dipol z nierównowagą ładunku elektrycznego od przodu do tyłu. Kiedy Twoje oczy obracają się w oczodołach, pole dipolowe zmienia kierunek, aby wskazać miejsce, na które patrzysz, co jest wykrywane jako zmiana w tle biopotencjału, który jest inaczej zorientowany względem każdego sensora EEG - co oznacza, że nie jest to wspólny sygnał między sensorami. Dodatkowe sygnały artefaktów są generowane przez mięśnie kontrolujące obrót oczu.

• Sygnały sercowe: Twoje serce jest znaczącym źródłem sygnałów mięśniowych, które czasami mogą być wykrywane bezpośrednio przez niektóre lub wszystkie kanały EEG, w taki sam sposób, jak rejestrowane jest elektrodiagram. Charakterystyczne kompleksy P-Q-R-S-T mogą być bezpośrednio obserwowane czasami w niektórych kanałach EEG. Drugi rodzaj artefaktu sercowego wynika z dużych naczyń krwionośnych, które rozszerzają się i kurczą, kiedy serce pompuje krew przez tętnice. Ściany tętnic są muskularne i generują wtórne sygnały, gdy rozszerzają się i kontraktują zgodnie z naszym biciem serca. W końcu, jeśli przypadkowo umieścisz sensor bezpośrednio obok znaczącej tętnicy, sensor może zostać mechanicznie przemieszczony przez zmieniający się kształt i rozmiar naczynia, prowadząc do rytmicznych ruchów sensora na powierzchni skóry, które mogą zmieniać impedancję kontaktową i wywoływać fałszywe napięcia w cyklicznym wzorze.

Te działania generują mięśniowe, oczne i inne sygnały biologiczne, które mogą mieszać się z danymi fal mózgowych. Zwykle te sygnały biologiczne są znacznie większe niż sygnały mózgowe, co utrudnia wykrywanie aktywności mózgu, chyba że zostanie podjęta jakaś forma filtracji i separacji źródeł.

Wewnętrzne artefakty podlegają specyficznym, przewidywalnym kategoriom i istnieje wiele narzędzi do przetwarzania wstępnego, które można zastosować w celu ich selektywnego usunięcia. Najczęstszą metodą jest niezależna analiza komponentów (ICA, dostępna w wielu bibliotekach, takich jak EEGLab, NME i innych), oraz metody rekonstrukcji podprzestrzeni artefaktów (ASR, rASR, bardziej wydajne pod względem obliczeniowym niż ICA). Te modele opierają się na podziale sygnału czasowego na różne komponenty, a następnie ponownym złożeniu sygnału z podzbioru tych komponentów, które nie są związane z różnymi typami artefaktów.

Dane EEG Emotiv są dostarczane do hosta PC w możliwie jak najczystszej formie, ale bez usuwania wewnętrznych artefaktów biologicznych, które mogą być interesujące dla różnych użytkowników, i które również zwiększają możliwość 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:

• Rdzenie czujników, zestaw słuchawkowy porusza się na głowie lub zostaje uderzony

• Promieniowane pola elektryczne z urządzeń, komputerów i innego sprzętu, transformatorów i okablowania elektrycznego, szczególnie przy częstotliwości linii energetycznej (50/60 Hz) i harmonicznych wielokrotności tych częstotliwości. Hałas na linii energetycznej jest często najsilniejszym źródłem artefaktów w sygnałach EEG. 

• Wszystkie nowoczesne systemy EEG używają konwerterów sygnału analogowego na cyfrowy, które działają przy stałej częstotliwości próbkowania. Znanym zjawiskiem przy próbkowaniu cyfrowym jest aliasing, który występuje, gdy system próbkowania napotyka sygnał, którego komponenty częstotliwości są wyższe niż 50% częstotliwości próbkowania (częstotliwość Nyquista). Na przykład przy próbkowaniu 128 Hz częstotliwość Nyquista wynosi 64Hz, tylko trochę wyżej niż częstotliwość linii energetycznej 60Hz. Jednak harmoniczne 60Hz: [120Hz,  180Hz, 240Hz, …] „okrążają” częstotliwość Nyquista i pojawiają się jako fałszywe lub „aliasowane” sygnały przy 8Hz, 24Hz, 16Hz i tak dalej, ponieważ cyfrowy system próbkowania pobiera część z każdego cyklu co wtórne, trzecie, czwarte … cykle tych wysokoczęstotliwościowych sygnałów. Wysokie harmoniczne promieniowania linii energetycznej są obecne, ponieważ prądy i promieniowane pola w systemach energetycznych rzadko są idealnymi falami sinusoidalnymi. Zwykle istnieje znacząca promieniowana moc wykrywalna do około 10 harmonicznej. Te aliasowane wysokoczęstotliwościowe sygnały są nieodróżnialne od prawdziwych oscylacji przy niższych częstotliwościach w typowym zakresie sygnałów mózgowych, więc muszą być usunięte z przychodzącego sygnału, zanim zostanie przedstawiony systemowi próbkowania.

• Statyczne pola elektryczne z naładowanych obiektów i ludzi w pobliżu: Nagromadzenie ładunku elektrostatycznego może prowadzić do różnic potencjałów sięgających wielu tysięcy woltów między Tobą a innymi ludźmi i otaczającymi obiektami. Na przykład, pozytywnie naładowany obiekt przyciągnie naładowanie ujemne w Twoim ciele i głowie w stronę tego obiektu, a ładunki ujemne będą odpychane, co skutkuje nierównomiernym rozkładem potencjału ciała pod różnymi sensorami EEG. Urządzenia Emotiv używają przełącznika AC (analogowe filtrowanie dolnoprzepustowe), z jednym punktem odniesienia, aby w znacznym stopniu odseparować nierównomierny rozkład ładunku statycznego. Jednak, jeśli Ty lub któreś z tych naładowanych źródeł porusza się, ładunek przesuwa się po Twoim ciele, powodując zmianę potencjału, która może być wystarczająco szybka, aby zostać przekazana 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 przedmiotów, potencjalnie generując iskrę. Twój potencjał ciała może zmieniać się o dziesiątki tysięcy woltów w chwili, kilka sekund lub dłużej. Te zmiany mogą tymczasowo przytłoczyć obwody anulowania potencjału ciała w systemach EEG, co prowadzi do dużych szczytów i wolniejszego powrotu w sygnałach EEG.
  Systemy EEG oparte na laboratorium mogą być chronione przed wiele tych artefaktów, na przykład poprzez ograniczenie ruchu obiektu, elektryczne ekranowanie laboratorium, podłączenie przewodu uziemienia do obiektu, aby zapobiec nagromadzeniu elektrostatycznemu, bardzo wysokiej częstotliwości próbkowania i tak dalej.
  
  Bezprzewodowe, zasilane baterią systemy EEG nie mogą polegać na tych środkach i dlatego muszą używać szeregu strategii łagodzących. Szybkość transmisji danych musi być zrównoważona z żywotnością baterii, ponieważ bezprzewodowe nadajniki są całkiem wymagające energetycznie.

Zmniejszanie zakłóceń

Zestawy słuchawkowe EEG są zaprojektowane do minimalizowania niepożądanych szumów. Większość źródeł szumów zewnętrznych, takich jak elektryczność statyczna i zakłócenia elektromagnetyczne (np. szum 50/60 Hz i harmoniczne linie energetyczne) pojawiają się jako szum wspólny (CMN), gdzie podstawowy potencjał ciała oscyluje w przybliżeniu w ten sam sposób we wszystkich sensorach. 

Urządzenia Emotiv używają sensora odniesienia z jednym punktem (CMS) do mierzenia potencjału ciała, w połączeniu z aktywnym systemem anulowania w domenie analogowej (sygnał CMS jest odwracany i przekazywany z powrotem do sensora DRL, aby anulować oscylacje wspólnego trybu i wyprowadzić poziom odniesienia EEG o niskim szumie dla wzmacniaczy wejściowych różnicowych. Filtry analogowe dolnoprzepustowe (AC coupling) i dolnoprzepustowe (analogowe filtrowanie nisko-przepustowe), znaczne nadpróbkowanie przy 2048 Hz, następnie filtracja cyfrowa sub-Nyquista, podwójna filtracja notch 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 szumów do niezauważalnych poziomów, gdy zestaw słuchawkowy jest odpowiednio filtrowany, a impedancje kontaktowe są niskie.

Artefakty ruchowe są minimalizowane przez nasz mechaniczny projekt, który niezależnie podpiera każdy sensor i dostosowuje się do rozmiaru i kształtu każdego użytkownika.

Jak EmotivPRO obsługuje dane

Dane EEG w EmotivPRO są rejestrowane dokładnie w takiej postaci, w jakiej są odbierane z zestawu słuchawkowego. Oprogramowanie nie usuwa automatycznie artefaktów z ruchów mięśni lub oczu, ponieważ techniki oczyszczania danych (takie jak ICA) działają lepiej na surowych, nieprzesfiltrowanych danych. Jednak, jak opisano powyżej, zestawy słuchawkowe Emotiv stosują starannie opracowane przetwarzanie sygnałów, co pomaga w uzyskaniu czystych sygnałów, gdy zestaw ma dobre kontakty, co ułatwia analizę danych fal mózgowych.