Uma ICC independente de visão usando asa e coerência espacial em uma abordagem inter-indivíduo

Abstract

As interfaces cérebro-computador (ICCs) têm sido usadas como uma forma de comunicação de pessoas com danos neuromusculares, podendo utilizar sinais cerebrais registrados no couro cabeludo durante estímulos externos ou eventos sincronizados. O registro desses sinais pode ser feito pelo eletroencefalograma (EEG), o qual apresenta alterações identificadas como potenciais evocados (PEs) ou potenciais relacionados a eventos (PREs). Embora a literatura mostre muitas aplicações de sinais com estimulação visual ou potencial relacionado à imaginação motora, o uso das ICCs com esses eventos, em algumas situações, requer treinamento e/ou exige do usuário controle motor, podendo causar desconforto e fadiga. A implementação de ICCs independentes de visão, como as que utilizam o potencial originado por estímulos auditivos em regime permanente (ASSR), mostram-se como alternativa para superar tal problema. Esse potencial pode ser alterado pela condição de atenção (Atenção Seletiva Auditiva - ASA), podendo influenciar regiões distintas do cérebro. Muitas implementações apresentadas pela literatura mostram interfaces individualizadas, não analisando as diferenças inter-indivíduos. Nesse contexto, uma abordagem generalizada pode ser uma alternativa interessante para uma aplicação abrangente de uma interface. A extração das características da ASA em determinado som pode ser realizada por meio da coerência espacial, que avalia o valor da coerência na frequência das moduladoras, baseando-se também na posição dos eletrodos utilizados. O presente trabalho propõe a investigação da atenção seletiva auditiva para diferentes estímulos com modulação AM, abordando os seguintes aspectos: avaliação do efeito de repetições com intervalos semanais; investigação de novos classificadores espectrais; e a identificação de parâmetros e avaliação do número de repetições e intervalos. Os resultados mostram que não há aumento na taxa de acerto da ICC desenvolvida para o intervalo de, pelo menos, uma semana. O melhor resultado em uma abordagem inter-indivíduo obtido pelo novo classificador (modular) atingiu taxas de acerto média de 75% e taxa de transferência de informação (ITR) de 2,217 bits/min, considerando três janelas (5,1 s de duração). Esse resultado foi obtido com estímulos de 500 Hz e 2 kHz e uma combinação formada principalmente por eletrodos da região frontal e pré-frontal, considerando 5 s e 10 s de intervalo entre as repetições. Além disso, considerando esses intervalos, os resultados sugerem que a performance da ICC mantem-se considerando três e oito repetições consecutivas. Diante dos resultados, acredita-se que é possível a implementação de uma ICC independente de visão que abrange a diferença inter-indivíduos, permitindo a comunicação de usuários por meio da atenção seletiva auditiva, sem treinamento prévio dos voluntários. Palavras-chave: ICC independente de visão; ASSR; atenção seletiva auditiva; coerência espacial; diferenças inter-indivíduos.

Brain-Computer Interfaces (BCIs) can be used as an alternative for communication of people who suffer from neuromuscular damages. Brain signals recorded on the scalp during external stimuli or synchronized events can be used for these BCIs. These signals may be collected using electroencephalogram (EEG) which exhibits alterations identified as evoked potentials (EPs) or event related potentials (ERPs). Albeit the literature shows many applications of signals with visual stimulation and potential related to motor imagination, the use of the BCIs with these events, in some situations, requires training and/or demands a motor control of the user and may cause discomfort and exhaustion. The implementation of BCIs independent of vision, as those that use the originated potential by auditory stimuli in steady state (ASSR) shows themselves as an alternative to overcome this issue. This potential can be altered by the auditory condition (auditory selective attention - ASA) and can influence distinct brain regions. Individualized interfaces are shown in many literature applications, however, they do not analyze inter-individual differences. Thus, a general approach may be a reasonable alternative for a wide application interface. The feature extraction during ASA of a particular sound can be performed by using spatial coherence, which evaluates the coherence value in the modulated frequencies, based on the positions of the chosen electrodes. This work proposes an auditory selective attention investigation for different stimuli using AM modulation addressing the following aspects: evaluation of repetition effect with weekly intervals; investigation of new spectral classifiers; and parameters identification and evaluation of repetition number and intervals. The results show that there is no increase in the hit rate of the BCI developed for the interval of, at least one week. The best result in an inter-subject approach obtained by the new classifier (modular) reached mean hit rates of 75% and information transfer rate (ITR) of 2. 217 bits/min, contemplating three windows (5. 1 s of length). This result was obtained with stimuli of 500 Hz and 2 kHz and a combination formed mainly by frontal and prefrontal electrodes, considering 5 s and 10 s interval between the repetitions. In addition, taking into account these intervals, the results suggest that the performance of the BCI remains in three and eight consecutive repetitions. Given the outcomes, it is believed that it is possible to implement a vision-free BCI that covers the inter-individual difference, allowing users to communicate using auditory selective attention without previous training of the volunteers. Keywords: vision-free BCI; ASSR; auditory selective attention; spatial coherence; inter-individual differences.