[論文レビュー] Open-Source Concealed EEG Data Collection for Brain-Computer-Interfaces -- Real-World Neural Observation Through OpenBCI Amplifiers with Around-the-Ear cEEGrid Electrodes

Michael Thomas Knierim, Christoph Berger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2021

EEG and Brain-Computer Interfaces参考文献 59被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、OpenBCIアンプと統合されたaround-the-ear cEEGrid電極を用いたオープンソースで低コストなウェアラブルEEGシステムを提示する。このシステムは、現実世界における脳-コンピュータインターフェース（BCI）研究を可能にし、長時間にわたる快適な神経記録を実現する。フローモード状態や認知的負荷の変化に伴うアルファパワーチェンジを観察することで、時間的アルファ活動とタスクへの没頭の間の関連性を裏付ける。

ABSTRACT

Observing brain activity in real-world settings offers exciting possibilities like the support of physical health, mental well-being, and thought-controlled interaction modalities. The development of such applications is, however, strongly impeded by poor accessibility to research-grade neural data and by a lack of easy-to-use and comfortable sensors. This work presents the cost-effective adaptation of concealed around-the-ear EEG electrodes (cEEGrids) to the open-source OpenBCI EEG signal acquisition platform to provide a promising new toolkit. An integrated system design is described, that combines publicly available electronics components with newly designed 3D-printed parts to form an easily replicable, versatile, single-unit around-the-ear EEG recording system for prolonged use and easy application development. To demonstrate the system's feasibility, observations of experimentally induced changes in visual stimulation and mental workload are presented. Lastly, as there have been no applications of the cEEGrids to HCI contexts, a novel application area for the system is investigated, namely the observation of flow experiences through observation of temporal Alpha power changes. Support for a link between temporal Alpha power and flow is found, which indicates an efficient engagement of verbal-analytic reasoning with intensified flow experiences, and specifically intensified task absorption.

研究の動機と目的

• 現実世界のBCIアプリケーションに適した、アクセスしやすく快適でウェアラブルなEEGシステムの不足を補う。
• 生態的妥当な環境下で、長時間にわたる、目立たない神経データ収集を可能にする。
• オープンソースハードウェア（OpenBCI）をカスタム3DプリントされたcEEGrid電極と組み合わせ、使いやすさと再現可能性を向上させる。
• 特にフローモードの検出を目的とした、cEEGridの新しい人間-コンピュータインタラクション分野への応用を検討する。
• 研究者が現実世界の神経観察を再現・拡張できる、完全にオープンソースで費用効果の高いツールキットを提供する。

提案手法

• 市販のOpenBCI EEGアンプと、耳の周りに装着可能なカスタム3DプリントcEEGrid電極ホルダーを統合する。
• 増加造造（3Dプリント）を用いた低コストで、目立たず快適な電極アレイの設計および製造。
• 公開済みの電子部品とオープンソースソフトウェアを用いて信号取得および処理を実施。
• 視覚刺激と認知的負荷の変化を含む制御されたタスク中にリアルタイムEEGデータ収集を実装。
• 認知的関与の神経的相関として、時間的アルファパワーバンド（8–12 Hz）を抽出するためのスペクトル解析を適用。
• フローモードと認知的負荷を誘発するタスク中に得られた行動的および神経的データを用いた実験的検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オープンソース部品を用いて、現実世界のBCIアプリケーションに適した低コストでウェアラブルかつ目立たないEEGシステムを信頼性高く構築できるか？
• RQ2 cEEGrid-OpenBCIシステムは、認知状態の検出に適した安定的で解釈可能なEEG信号を生成するか？
• RQ3 本システムで測定された時間的アルファパワーチェンジは、フローモード体験の神経マーカーとして機能するか？
• RQ4 認知的負荷が、現実世界の環境下でcEEGridシステムが捉えるEEG信号パターンにどのように影響するか？
• RQ5 このオープンソースシステムは、伝統的な実験室環境外で、再現可能でアクセス可能な神経データ収集をどの程度支援できるか？

主な発見

• cEEGrid-OpenBCIシステムは、現実世界での使用に適した長時間にわたる快適で目立たないEEG記録を成功裏に実現した。
• 視覚刺激と認知的負荷の変化が、測定可能なEEG信号の変化として信頼性高く検出された。
• フローモード誘発タスク中に時間的アルファパワーチェンジが顕著に増加したことが観察され、タスクへの没頭の神経的相関としての役割を裏付けた。
• 非侵襲的でウェアラブルEEGを用いた認知状態、特に認知的負荷とフローの検出に本システムが実用可能であることを示した。
• オープンソース設計により、研究者が完全に再現・拡張可能であり、BCI研究分野におけるアクセシビリティとイノベーションを促進する。
• 3DプリントされたcEEGridとOpenBCIの統合により、スケーラブルで低コストかつ使いやすいリアルタイム神経モニタリングプラットフォームが実現された。