Artefatos

Ao usar fones de ouvido EEG, alguns sinais podem interferir nas medições das ondas cerebrais. Esses sinais indesejados, chamados de "artefatos", vêm em dois tipos principais:

Artefatos Intrínsecos: Esses são causados por biosinais normais que se originam do seu corpo, tais como:

• Atividade muscular facial, do pescoço e da mandíbula: Sorrir, apertar os dentes, franzir a testa, piscar, fazer pestanas, mastigar, falar, girar a cabeça (músculos do pescoço). Cada grupo muscular está localizado mais próximo de alguns sensores EEG e muito mais distante de outros, de modo que o sinal detectado em cada local é diferente, tornando os artefatos mais difíceis de remover. Na verdade, a Emotiv utiliza métodos de processamento de sinal e aprendizado de máquina para desvendar a distribuição dos sinais musculares para deduzir quais grupos estão ativados e, portanto, identificar suas expressões faciais!

• Atividade ocular: Cada um dos seus globos oculares tem uma alta concentração de nervos na superfície traseira (rede nervosa, nervos ópticos) e quase nenhum nervo na superfície frontal. De fato, seu globo ocular atua como um grande dipolo com um desequilíbrio de carga elétrica de frente para trás. Quando seus olhos giram em suas órbitas, o campo dipolar muda de direção para apontar para onde você está olhando, e isso é detectado como uma mudança no biopotencial de fundo que é inclinado de maneira diferente em relação a cada sensor EEG - o que significa que não é um sinal comum entre os sensores. Artefatos de sinal adicionais são gerados pelos músculos que controlam a rotação dos olhos.

• Sinais cardíacos: Seu coração é uma fonte significativa de sinais musculares brutos que podem, às vezes, ser detectados diretamente por alguns ou todos os canais EEG, da mesma forma que um eletrocardiograma é registrado. Os complexos característicos P-Q-R-S-T podem ser observados ocasionalmente em alguns canais EEG. Um segundo tipo de artefato cardíaco surge de grandes vasos sanguíneos que se expandem e se contraem à medida que o coração bombeia sangue através das suas artérias. As paredes arteriais são musculares e geram sinais secundários à medida que se expandem e se contraem em sincronia com o nosso batimento cardíaco. Finalmente, se você colocar um sensor diretamente ao lado de uma artéria significativa, o sensor pode ser deslocado mecanicamente pela mudança de forma e tamanho do vaso, levando a movimentos rítmicos do sensor na superfície da pele que podem alterar a impedância de contato e induzir tensões espúrias em um padrão cíclico.

Essas ações criam sinais musculares, oculares e outros biosinais que podem se misturar com os dados das ondas cerebrais. Normalmente, esses biosinais são significativamente maiores do que os sinais cerebrais, dificultando a detecção da atividade cerebral, a menos que alguma forma de filtragem e separação de fontes seja realizada.

Os artefatos intrínsecos caem em categorias específicas e previsíveis, e existem muitas ferramentas de pré-processamento que podem ser aplicadas para removê-los seletivamente. O método mais comum é a Análise de Componentes Independentes (ICA, disponível em muitas bibliotecas como EEGLab, NME e outras), e os métodos de Reconstrução Subespacial de Artefatos (ASR, rASR, mais eficientes em termos computacionais do que o ICA). Esses modelos dependem de quebrar um sinal de série temporal em diferentes componentes, para então reassemblar o sinal a partir de um subconjunto desses componentes que não estão associados a diferentes tipos de artefatos.

Os dados EEG da Emotiv são entregues ao PC hospedeiro na forma mais limpa possível, mas sem remover os artefatos de biosinais intrínsecos que podem ser de interesse para diferentes usuários, e que também aumentam a capacidade dos métodos ICA e rASR de remover classes conhecidas de artefatos intrínsecos porque seus sinais não são distorcidos pela filtragem no dispositivo.

Artefatos Extrínsecos: Estes vêm de fontes externas, como:

• Sensores escorregando, o headset se movendo na sua cabeça ou sendo batido

• Campos elétricos irradiados de aparelhos, computadores e outros equipamentos, transformadores e fiação elétrica, particularmente na frequência da linha de energia elétrica (50/60 Hz) e múltiplos harmônicos dessas frequências. O ruído da linha de energia é frequentemente a fonte mais forte de artefatos nos sinais EEG. 

• Todos os sistemas EEG modernos usam conversores de sinal analógico para digital que operam em uma frequência de amostragem fixa. Um fenômeno bem conhecido com a amostragem digital é o aliasing, que ocorre quando o sistema de amostragem encontra um sinal que tem componentes de frequência superiores a 50% da frequência de amostragem (a frequência de Nyquist). Por exemplo, ao amostrar a 128Hz, a frequência de Nyquist é 64Hz, ligeiramente acima da frequência da linha de energia de 60Hz. No entanto, os harmônicos de 60Hz: [120Hz,  180Hz, 240Hz, …] "se enrolam" na frequência de Nyquist e aparecem como sinais falsos ou “alinhados” a 8Hz, 24Hz, 16Hz e assim por diante, porque o sistema digital amostra parte de cada segundo, terceiro, quarto ... ciclo desses sinais de alta frequência. Harmônicos altos da radiação da linha de energia estão presentes porque as correntes e os campos irradiados nos sistemas de energia raramente são ondas senoidais perfeitas. Normalmente, há uma potência irradiada substancial detectável até cerca do décimo harmônico. Esses sinais de alta frequência alinhados são indistinguíveis de oscilações reais em frequências mais baixas dentro da faixa típica dos sinais cerebrais, portanto, devem ser removidos do sinal de entrada antes de serem apresentados ao sistema de amostragem.

• Campos elétricos estáticos de objetos carregados e pessoas próximas: O acúmulo de carga eletrostática pode resultar em diferenças de potencial de milhares de volts entre você e outras pessoas e objetos ao redor. Por exemplo, um objeto carregado positivamente atrairá cargas negativas do seu corpo e cabeça em direção a esse objeto, e cargas negativas serão repelidas, resultando em uma distribuição desigual de potencial corporal sob diferentes sensores EEG. Dispositivos Emotiv utilizam detecção acoplada em CA (filtragem analógica de alta-passagem), com um único ponto de referência, para desacoplar a distribuição desigual de carga estática em uma extensão significativa. No entanto, se você ou qualquer uma dessas fontes carregadas se mover, a carga se desloca ao redor do seu corpo, causando um potencial variado, que pode ser rápido o suficiente para ser transmitido através dos filtros.

• Seu potencial eletrostático pode mudar lentamente ou instantaneamente se você adquirir carga ou se descarregar rapidamente, como ao andar sobre carpete ou tocar objetos metálicos, gerando talvez uma faísca. O potencial do seu corpo pode mudar em dezenas de milhares de volts em um instante, alguns segundos ou períodos mais longos. Essas mudanças podem sobrecarregar temporariamente os circuitos de cancelamento de potencial corporal nos sistemas EEG vestíveis, resultando em picos massivos e uma recuperação mais lenta nos sinais EEG.
  Sistemas EEG baseados em laboratório podem ser protegidos contra muitos desses artefatos, por exemplo, restringindo o movimento do sujeito, escaneando eletricamente o laboratório, fixando um fio de aterramento no sujeito para evitar acúmulo de carga eletrostática, uma frequência de amostragem muito alta e assim por diante.
  
  Sistemas EEG sem fio, operados por bateria, não podem contar com essas medidas e, portanto, devem utilizar uma variedade de estratégias de mitigação. A taxa de transmissão de dados deve ser equilibrada em relação à vida útil da bateria, pois transmissores sem fio consomem bastante energia.

Reduzindo a Interferência

Fones de ouvido EEG são projetados para minimizar ruídos indesejados. A maioria das fontes de ruído extrínseco, como eletricidade estática e interferência eletromagnética (por exemplo, ruído de 50/60 Hz e harmônicos de linhas de energia) aparece como Ruído de Modo Comum, onde o potencial corporal subjacente oscila de maneira aproximadamente igual em todos os sensores. 

Os dispositivos Emotiv utilizam um sensor de referência de ponto único (CMS) para medir o potencial corporal, combinado com um sistema de cancelamento ativo no domínio analógico (o sinal CMS é invertido e retornado ao sensor DRL para cancelar as oscilações de Modo Comum e derivar um nível de referência EEG de baixo ruído para os amplificadores de entrada diferencial. Filtros analógicos de alta-passagem (acoplamento CA) e baixa-passagem (filtro analógico anti-aliasing), sobreamostragem significativa a 2048Hz, seguida de filtragem digital sub-Nyquist sucessiva, filtragem de duplo notch de 50/60Hz e downsampling para a frequência de transmissão de dados (128 ou 256Hz) no domínio digital no processador DSP no headset antes da transmissão. Essas medidas atenuam a maioria das fontes de ruído extrínseco a níveis indetectáveis quando o headset é filtrado corretamente e as impedâncias de contato são baixas.

Artefatos de movimento são minimizados pelo nosso design mecânico que suporta independentemente cada sensor e se ajusta ao tamanho e forma de cada usuário.

Como o EmotivPRO Lida com Dados

Os dados EEG no EmotivPRO são registrados exatamente como recebidos do fone de ouvido. O software não remove automaticamente artefatos de movimentos musculares ou oculares porque técnicas de limpeza de dados (como ICA) funcionam melhor em dados brutos e não filtrados. No entanto, como mencionado acima, os headsets Emotiv aplicam processamento de sinal cuidadosamente elaborado que ajuda a produzir sinais limpos quando o headset tem bom contato, tornando os dados das ondas cerebrais mais fáceis de analisar.