Artefatos

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

Artefatos Intrínsecos: Estes são causados por biossinais normais originados do seu corpo, como:

• Atividade muscular facial, do pescoço e mandíbula: Sorrir, apertar os dentes, ou franzir o cenho, piscar, piscadelas, mastigação, fala, virando a cabeça (músculos do pescoço). Cada grupo muscular está localizado mais próximo de alguns sensores de EEG e muito mais distante de outros, então o sinal detectado em cada local é diferente, tornando os artefatos mais difíceis de remover. De fato, a Emotiv usa métodos de processamento de sinal e aprendizado de máquina para desvendar a distribuição dos sinais musculares e deduzir quais grupos estão ativando, e portanto identificar suas expressões faciais!

• Atividade ocular: Cada um de seus globos oculares tem uma alta concentração de nervos em toda a superfície posterior (retina, nervos ópticos) e quase nenhum nervo na superfície frontal. Na prática, 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 de dipolo muda de direção para apontar para onde você está olhando, e isso é detectado como uma mudança no biopotencial de fundo que é angulado de forma diferente em relação a cada sensor de EEG - o que significa que não é um sinal comum entre os sensores. Artefatos adicionais de sinal são gerados pelos músculos que controlam a rotação dos seus olhos.

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

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

Artefatos intrínsecos enquadram-se em categorias específicas e previsíveis e há 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 métodos de Reconstrução de Subespaço de Artefato (ASR, rASR, mais eficiente computacionalmente do que ICA). Esses modelos dependem de dividir um sinal de série temporal em diferentes componentes, depois reconstituir o sinal a partir de um subconjunto desses componentes que não estão associados a diferentes tipos de artefatos.

Os dados de EEG da Emotiv são entregues ao PC host da forma mais limpa possível, mas sem remover os artefatos biossinais 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:

• Deslizamento de sensores, o headset movendo-se na sua cabeça ou sendo tocado

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

• Todos os sistemas modernos de EEG usam conversores de sinal analógico para digital que operam em uma frequência de amostragem fixa. Um fenômeno bem conhecido com amostragem digital é o aliasing, que ocorre quando o sistema de amostragem encontra um sinal que possui componentes de frequência superiores a 50% da frequência de amostragem (a frequência de Nyquist). Por exemplo, quando se amostra em 128Hz, a frequência de Nyquist é 64Hz, um pouco acima da frequência de linha de energia de 60Hz. No entanto, os harmônicos de 60Hz: [120Hz,  180Hz, 240Hz, …] "se enrolam" ao redor da frequência de Nyquist e aparecem como sinais falsos ou "aliased" em 8Hz, 24Hz, 16Hz e assim por diante, porque o sistema digital amostra uma parte de cada ciclo segundo, terceiro, quarto ... desses sinais de alta frequência. Harmônicos altos da radiação da linha de energia estão presentes porque as correntes e campos irradiados nos sistemas de energia raramente são ondas senoidais perfeitas. Típicamente há uma substancial potência irradiada detectável até cerca do 10º harmônico. Esses sinais de alta frequência aliased são indistinguíveis de oscilações reais em frequências mais baixas dentro da faixa típica de sinais cerebrais, então eles devem ser removidos do sinal de entrada antes de serem apresentados ao sistema de amostragem.

• Campos elétricos estáticos de objetos carregados e pessoas próximas: A acumulação 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 no 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 de EEG. Os dispositivos Emotiv usam sensoriamento acoplado em corrente alternada (filtragem analógica de alta frequência), com um único ponto de referência, para desacoplar a distribuição de carga estática desigual a um nível significativo. No entanto, se você ou qualquer uma dessas fontes carregadas se moverem, a carga se moverá ao redor do seu corpo causando um potencial variável, que pode ser rápido o suficiente para ser transmitido através dos filtros.

• Seu potencial eletrostático pode mudar lentamente ou instantaneamente se você carregar ou descarregar rapidamente, como ao caminhar sobre carpete ou tocar objetos metálicos, talvez gerando uma faísca. Seu potencial corporal pode mudar por dezenas de milhares de volts em um instante, poucos segundos, ou períodos mais longos. Essas mudanças podem temporariamente sobrecarregar os circuitos de cancelamento de potencial corporal em sistemas de EEG portáteis, resultando em picos massivos e recuperação mais lenta nos sinais de EEG.
  Sistemas de EEG baseados em laboratório podem ser protegidos contra muitos desses artefatos, por exemplo, restringindo o movimento do sujeito, blindando eletricamente o laboratório, anexando um fio de aterramento ao sujeito para evitar o acúmulo de carga eletrostática, frequência de amostragem muito alta e assim por diante.
  
  Sistemas portáteis de EEG sem fio com bateria não podem contar com essas medidas e, portanto, devem usar uma gama de estratégias de mitigação. A taxa de transmissão de dados deve ser equilibrada com a vida útil da bateria, pois os transmissores sem fio consomem bastante energia.

Reduzindo Interferência

Headsets de EEG são projetados para minimizar ruídos indesejados. A maioria das fontes de ruído extrânseco, como eletricidade estática e interferência eletromagnética (por exemplo, ruído de 50/60 Hz e harmônicos de linhas de energia) aparecem como Ruído de Modo Comum, onde o potencial corporal subjacente está oscilando aproximadamente da mesma forma através de todos os sensores. 

Os dispositivos Emotiv usam 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 alimentado de volta ao sensor DRL para cancelar as oscilações de Modo Comum e derivar um nível de referência de EEG de baixo ruído para os amplificadores de entrada diferencial. Filtros analógicos passa-alta (acoplamento em corrente alternada) e passa-baixa (filtro analógico anti-alias), superamostragem significativa a 2048Hz, seguido por filtragem digital sub-Nyquist sucessiva, filtragem de notch dupla 50/60Hz e redução da amostragem para a frequência de transmissão de dados (128 ou 256 Hz) no domínio digital no processador DSP  no headset antes da transmissão. Essas medidas atenuam a maioria das fontes de ruído extrínsecas 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 cada sensor independentemente e ajusta-se à dimensão e forma de cada usuário.

Como o EmotivPRO Lida com Dados

Os dados de EEG no EmotivPRO são registrados exatamente como recebidos do headset. 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, conforme mencionado acima, os headsets Emotiv aplicam processamento de sinal cuidadosamente elaborado, que ajuda a produzir sinais limpos quando o headset está em bom contato, tornando os dados de ondas cerebrais mais fáceis de analisar.