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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Interfaces cérebro-computador atráves de
Eletroencefalograma
Guilherme Feulo
Grupo de Computação Musical IME/USP
19 de novembro de 2013
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Estrutura
1 Interfaces cérebro-computador
2 Tipos de interfaces
3 Eletroencefalograma
4 Classi�cação de sinais
5 Considerações Finais
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Interfaces cérebro-computador
Uma interface cérebro computador é um sistema de comunicaçãoque gera sinais de controle utilizando sinais cerebrais, isto é, umsitema que traduz atividade cerebral em comandos para ocomputador ou outros dispositivos.
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Aplicações
Bioengenharia
Medicina Diagnóstica
Pesquisas em neurociência
Interação Homem-máquina
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Aplicações
Bioengenharia
Medicina Diagnóstica
Pesquisas em neurociência
Interação Homem-máquina
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Aplicações
Bioengenharia
Medicina Diagnóstica
Pesquisas em neurociência
Interação Homem-máquina
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Aplicações
Bioengenharia
Medicina Diagnóstica
Pesquisas em neurociência
Interação Homem-máquina
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
De�niçãoAplicaçõesFluxo de controle
Fluxo de Controle
Figura: Fluxo de Controle de uma interface cérebro-computador
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Tipos de Interface
As interfaces cérebro computador podem ser classi�cadas como:
Síncrono ou Assíncrono
Invasivo, Semi-invasivo ou Não-invasivo
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Tipos de Interface
As interfaces cérebro computador podem ser classi�cadas como:
Síncrono ou Assíncrono
Invasivo, Semi-invasivo ou Não-invasivo
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Interfaces cérebro-computadorTipos de Interface
EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Sincrono
Em sistemas Síncronos os sinais cerebrais são obtidos através daresposta a estimulos realizados pelo sistema ao usuário (podem servisuais, auditivos ou tácteis)
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Assíncrono
Neste tipo de sistema é analisada a atividade voluntaria do usuário,esta análise é feita mantendo-se uma comunicação em tempointegral com a interface e analisando continuamente os sinaiscerebrais e classi�cando-os periodicamente.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Invasivos
Interfaces invasivas são implantadas diretamente no interior damatéria cinzenta do cerébro. Por estar em contato direto com amatéria cinzenta interfaces invasivas produzem maior qualidade desinal mas são propensas a formação de cicatrizes causandointerferências ou até mesmo perda total do sinal. As principaisaplicações de interfaces invasivas estão na construção de próteses,tanto motoras como visuais.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Semi-Invasivos
Interfaces semi-invasivas, são geralmente realizadas através deEletrocorticogra�a e onde são implantandos eletrodos no interior docrânio porém na parte externa do cérebro. Este tipo de interfaceapresenta um menor risco cirurgico e também de formação decicatrizes, porém apresenta uma dimuição na relação sinal ruído secomparada com uma interface invasiva.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
SíncronoAssíncronoInvasivosSemi-InvasivosNão-Invasivos
Não-Invasivos
Interfaces não-invasivas consistem na captação do sinal cerebralatravés de exames cerebrais qua não involvem contato direto com océrebro, como por exemplo: ressonancia magnética funcional,magnetoencefalogra�a ou eletroencefalogra�a. Embora interfacesdeste tipo tenham menor custo, o sinal produzido por elas temresolução mto baixa se comparada com os outros métodos.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Eletroencefalograma
Eletroencefalogra�a (EEG) é a forma mais estudada dentre asinterfaces não-invasivas, principalemente por ter boa resoluçãotemporal, baixo custo e grande portabilidade.
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Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Eletroencefalograma
Figura: Exemplo de Interface com EEG17 / 36
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Funcionamento
Os sinais do eletroencefalograma são medidos utilizando-seeletrodos, posicionados na superfície do couro cabeludo, sensíveisas mudanças de potencial que ocorrem após a sinápse. Estespotenciais são criados em áres de polarição e despolarição locaisquando os neurotransmissores são disparados.
Por estarem localizados na super�cie do couro cabeludo, o sinalcaptado pelos eletrodos recebe interferência de sinais musculares dopescoço e face, além de sofrer um espalhamento causado pelare�exão do sinal no crânio.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Funcionamento
Os sinais do eletroencefalograma são medidos utilizando-seeletrodos, posicionados na superfície do couro cabeludo, sensíveisas mudanças de potencial que ocorrem após a sinápse. Estespotenciais são criados em áres de polarição e despolarição locaisquando os neurotransmissores são disparados.
Por estarem localizados na super�cie do couro cabeludo, o sinalcaptado pelos eletrodos recebe interferência de sinais musculares dopescoço e face, além de sofrer um espalhamento causado pelare�exão do sinal no crânio.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Posicionamento dos eletrodos
Estes eletrodos são posicionados de acordo do com o SistemaIntercional de posicionamento 10-20, para captar as diferenças depotencial das diferentes áreas do cérebro.
Figura: Sistema de Posicionamento de Eletrodos 10-20
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
FuncionamentoPosicionamento dos eletrodosForma do Sinal
Forma do Sinal
Outra característica das interfaces por eletroencefalograma é a suanatureza oscilatória que possibilita a análise dos dados utilizando-seda teoria de processamento de sinais.
Figura: EEG de um adulto fazendo multiplicações21 / 36
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Classi�cação dos Sinais
A análise de um EEG é complexa, devido a grande quantidade deinformação recebida de cada eletrodo. Diferentes tipos de sinal sãoclassi�cados de acordo com a frequência, origem e até forma deonda. Embora nenhum destes sinais sejam produzids de formaisolada determinadas atividades do cérebro fazem com que algunstipos sobressaltem sobre outros. Existem 5 tipos que sãoparticularmente importantes:
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Alpha e Beta
Ondas Alpha variam entre 8 e 13 hz, com amplitude de 30-50µV .Aparecem com mais força nos córtex frontal e ocipital e sãoassociados de relaxamento e desatenção.
Ondas Beta variam entre 13 e 30 Hz,e tem amplitude de 5-30µV .Ondas Beta são associadas com os estados e concentração, atençãoe solução de poblemas concretos. durante periodos de atividademental intensa pode atingir picos de até 50 HZ.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Alpha e Beta
Ondas Alpha variam entre 8 e 13 hz, com amplitude de 30-50µV .Aparecem com mais força nos córtex frontal e ocipital e sãoassociados de relaxamento e desatenção.
Ondas Beta variam entre 13 e 30 Hz,e tem amplitude de 5-30µV .Ondas Beta são associadas com os estados e concentração, atençãoe solução de poblemas concretos. durante periodos de atividademental intensa pode atingir picos de até 50 HZ.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Alpha e Beta
Figura: Ondas alpha (esquerda) e beta (direita)
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Mu
Ondas Mu variam entre 8 e 12 Hz. Este tipó de onda esta associadoao moviento do corpo é localizado principalmente no córtex motor.
Figura: Ondas mu (esquerda) e alpha (direita)
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Theta
Ondas Theta variam entre 4 e 7 Hz, com amplitudes que superam20µV .Este tipo de onda esta associada ao estresse emocional,especialmente frustação e desapontamento, assim como inspiraçãocriativa e estado de meditação.
Figura: Ondas Theta
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Ondas Delta
Ondas Delta variam de 0.5 a 4 Hz. Este tipo de onda é associadoprincipalmente com o estado desacordado da mente e por muitasvezes é confundido com interferências vindas dos músculo do rostoe pescoço no EEG.
Figura: Ondas delta
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Existem muitas outras classi�cações de sinais principalmentequando se trabalha com sistemas Sincronos, pois é possivelestabelecer uma janela temporal após o estimulo para observardiferentes respostas do cérebro.
Já nos sistemas assincronos grande parte dos sistemas trabalhamonitorando ondas alpha e mu, pois podemos alterar a amplitudedessas componentes realizando algum esforço mental comoimaginar uma �gura ou tentar realizar uma operação aritimética.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Ondas Alpha e BetaOndas MuOndas ThetaOndas Delta
Existem muitas outras classi�cações de sinais principalmentequando se trabalha com sistemas Sincronos, pois é possivelestabelecer uma janela temporal após o estimulo para observardiferentes respostas do cérebro.
Já nos sistemas assincronos grande parte dos sistemas trabalhamonitorando ondas alpha e mu, pois podemos alterar a amplitudedessas componentes realizando algum esforço mental comoimaginar uma �gura ou tentar realizar uma operação aritimética.
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EletroencefalogramaClassi�cação dos Sinais
Considerações �naisReferências
Considerações Finais
Características das Interfaces por ELetroencefalograma:
Não-invasiva, portátil e de baixo custo
A qualidade do sinal é baixa
Pela característica dos sinal podemos usar processamento desinais para melhorá-lo
É atualmente o sistema mais utilizado para interfaces deinteração homem-máquina
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Considerações �naisReferências
Considerações Finais
Características das Interfaces por ELetroencefalograma:
Não-invasiva, portátil e de baixo custo
A qualidade do sinal é baixa
Pela característica dos sinal podemos usar processamento desinais para melhorá-lo
É atualmente o sistema mais utilizado para interfaces deinteração homem-máquina
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Considerações Finais
Características das Interfaces por ELetroencefalograma:
Não-invasiva, portátil e de baixo custo
A qualidade do sinal é baixa
Pela característica dos sinal podemos usar processamento desinais para melhorá-lo
É atualmente o sistema mais utilizado para interfaces deinteração homem-máquina
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Considerações Finais
Características das Interfaces por ELetroencefalograma:
Não-invasiva, portátil e de baixo custo
A qualidade do sinal é baixa
Pela característica dos sinal podemos usar processamento desinais para melhorá-lo
É atualmente o sistema mais utilizado para interfaces deinteração homem-máquina
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Considerações �naisReferências
Ochoa, Jorge B. (2002)EEG Signal Classi�cation for Brain Computer InterfaceApplicationsEcole Polytechnique Federale de Lausane
Roman-Gonzáles, A. (2012)EEG Signal processing for BCI ApplicationsUniversidad Nacional San Antonio Abad del Cusco
Sza�r, daniel (2010)Non-invasive BCI through EEGBoston College, Seniors Honors Thesis
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Considerações �naisReferências
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