[論文レビュー] Comparison of an open-hardware electroencephalography amplifier with medical grade device in brain-computer interface applications

Jérémy Frey|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2016

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、同一の電極とセットアップを用いた並行記録により、オープンソースのOpenBCI EEGアンプと医療用のg.tec g.USBampを比較した。低サンプリングレートであり、医療機器としての認証がないものの、P300スイマーおよび作業負荷モニタリングの両タスクにおいて、OpenBCIはg.USBampに近い分類精度を達成した。これは、非医療用途のBCI応用において、低コストで実用的な代替手段である可能性を示している。

ABSTRACT

Brain-computer interfaces (BCI) are promising communication devices between humans and machines. BCI based on non-invasive neuroimaging techniques such as electroencephalography (EEG) have many applications , however the dissemination of the technology is limited, in part because of the price of the hardware. In this paper we compare side by side two EEG amplifiers, the consumer grade OpenBCI and the medical grade g.tec g.USBamp. For this purpose, we employed an original montage, based on the simultaneous recording of the same set of electrodes. Two set of recordings were performed. During the first experiment a simple adapter with a direct connection between the amplifiers and the electrodes was used. Then, in a second experiment, we attempted to discard any possible interference that one amplifier could cause to the other by adding "ideal" diodes to the adapter. Both spectral and temporal features were tested -- the former with a workload monitoring task, the latter with an visual P300 speller task. Overall, the results suggest that the OpenBCI board -- or a similar solution based on the Texas Instrument ADS1299 chip -- could be an effective alternative to traditional EEG devices. Even though a medical grade equipment still outperforms the OpenBCI, the latter gives very close EEG readings, resulting in practice in a classification accuracy that may be suitable for popularizing BCI uses.

研究の動機と目的

• オープンハードウェア型EEGアンプ（例：OpenBCI）が、BCI応用において医療用EEGシステムのコスト効率の良い代替手段として機能できるかどうかを評価すること。
• 従来の研究が非同一条件での比較に限られていたという制限を克服するため、同じ電極から同時に記録を可能にする。
• 2台のアンプを並列接続した際の電気的干渉の影響を、独自開発のアダプタを用いて調査すること。
• P300スイマー（時間的特徴に重きを置く）と作業負荷モニタリング（スペクトル的特徴に重きを置く）という2つの異なるBCIタスクにおけるOpenBCIのパフォーマンスを評価すること。

提案手法

• OpenBCIとg.USBampの両方を、同一の16個のg.Ladybirdアクティブ電極に同時に接続できる、独自開発のプリント基板（PCB）アダプタを設計した。
• 2つの実験的条件を実施：1つ目はアンプを直接並列接続する方法、2つ目は理想ダイオードを組み込んだアダプタを用いて信号経路を分離し、干渉を防止する方法。
• g.tecの湿式アクティブ電極を用いた標準化されたモンタージュを採用し、両アンプ間で一貫した信号入力を確保した。
• 視覚的P300スイマー課題（時間的関連電位[ERP]特徴の評価用）と作業負荷モニタリング課題（スペクトルパワー変化の評価用）の両方でEEGデータを記録した。
• 各アンプからの時間的（ERP）およびスペクトル的（バンドパワー）特徴を用いて線形分類器を適用し、分類精度を算出した。
• 平均ERPおよびスペクトルパワーの間の相関をピアソン相関（R）で測定し、AUROCCスコアを用いてパフォーマンスを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OpenBCI EEGアンプは、g.USBampのような医療用デバイスと比較して、十分な品質のEEG記録を提供し、信頼性のあるBCIパフォーマンスを実現できるか？
• RQ2 並列接続された第二のアンプが、記録品質に影響を及ぼす測定可能な信号歪みや干渉を引き起こすか？
• RQ3 P300（時間的特徴に依存）と作業負荷（スペクトル的特徴に依存）という異なるBCIタスクにおいて、OpenBCIとg.USBampの分類精度はどのように比較されるか？
• RQ4 同一の生理的条件下で、OpenBCIとg.USBampが記録したEEG信号の相関度はどの程度か？
• RQ5 アダプタに理想ダイオードを用いることで、アンプ間の分離が有効に機能し、干渉が低減され、測定の正確性が向上するか？

主な発見

• OpenBCIは、P300スイマーおよび作業負荷モニタリングの両タスクにおいて、運命的水準をはるかに上回るAUROCCスコアを達成し、信頼性の高い分類性能を示した。
• 理想ダイオードを用いた分離構成では、OpenBCIとg.USBampが記録した平均ERP間の相関（平均R値）が0.88に達し、信号の類似性が強く示された。
• サンプリングレートが低く（125Hz 対 g.USBampの最大16,000Hz）、かつ医療機器としての認証がないにもかかわらず、OpenBCIのパフォーマンスは、テストされたBCI応用においてg.USBampと同等であった。
• 直接接続構成では、期待されるよりもわずかに低いERP相関（R ≈ 0.88）が観察されたが、これはアダプタによる干渉の可能性を示唆しており、分類精度は依然として高い水準を維持した。
• 理想ダイオードの使用により、クロストークが低減され、信号の正確性が向上したが、2種類のアダプタ間で顕著なパフォーマンス差は観察されなかった。
• OpenBCIのEEG測定値は、g.USBampの測定値に非常に近かった。医療機器としての認証がないものの、非医療用途のBCI応用において実用的な分類精度を達成していた。