[논문 리뷰] Comparison of an open-hardware electroencephalography amplifier with medical grade device in brain-computer interface applications

Jérémy Frey|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 08.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 동일한 전극과 설정을 사용하여 오픈소스인 OpenBCI EEG 앰프와 의료용 g.tec g.USBamp을 병렬 기록으로 비교한다. 낮은 샘플링 속도와 의료 등급 인증 부재에도 불구하고 OpenBCI는 P300 스펠러 및 워크로드 모니터링 작업 모두에서 g.USBamp과 유사한 분류 정확도를 달성하여, 의료용이 아닌 BCI 응용 분야에서 저비용으로 활용 가능한 대안임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 오픈하드웨어 EEG 앰프인 OpenBCI가 BCI 응용 분야에서 의료용 EEG 시스템에 비해 비용 효율적인 대안이 될 수 있는지 평가하기 위해.
• 이전 연구들이 서로 다른 조건에서 EEG 시스템을 비교한 데 대한 한계를 보완하기 위해, 동일한 전극에서 동시에 기록이 가능하도록 하기 위해.
• 두 앰프를 병렬로 연결할 때 발생하는 전기적 간섭의 영향을 조사하기 위해.
• OpenBCI의 성능을 두 가지 다른 BCI 작업—일부는 시간적 특징에 중점을 두고(예: P300 스펠러), 다른 일부는 스펙트럼적 특징에 중점을 두고(예: 워크로드 모니터링)—에서 평가하기 위해.

제안 방법

• OpenBCI와 g.USBamp 앰프를 동일한 16개의 g.Ladybird 활성 전극에 동시에 연결할 수 있도록 고안한 커스터마이즈드 프린팅 회로기판(PCB) 어댑터를 제작하였다.
• 두 가지 실험 조건을 시행하였다: 첫 번째로 앰프를 직접 병렬로 연결한 경우, 두 번째로 이상적 다이오드를 통한 신호 경로 격리 기능을 갖춘 어댑터를 사용한 경우.
• g.tec의 습식 활성 전극을 사용하여 표준화된 몬타주를 확보하여 두 앰프 간 일관된 신호 입력을 확보하였다.
• 두 가지 작업 동안 EEG 데이터를 기록하였다: 시간적 사건 관련 전위(ERP) 특징을 평가하기 위한 시각적 P300 스펠러 작업과, 스펙트럼 파wer 변화를 평가하기 위한 워크로드 모니터링 작업.
• 각 앰프에서 유도된 시간적(ERP) 및 스펙트럼적(파워 대역) 특징을 바탕으로 선형 분류기로 분류 정확도를 계산하였다.
• 평균 ERP와 스펙트럼 파워 간의 신호 상관관계를 피어슨 상관계수(R)로 측정하였으며, 성능은 AUROCC 점수로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OpenBCI EEG 앰프가 g.USBamp과 같은 의료용 장비와 비교하여 신뢰할 수 있는 BCI 성능을 지원할 수 있는 수준의 EEG 기록 품질을 제공할 수 있는가?
• RQ2 병렬로 연결된 두 번째 앰프가 기록 품질에 영향을 주는 측정 가능한 신호 왜곡이나 간섭을 유발하는가?
• RQ3 P300과 같은 시간적 특징에 의존하는 작업과 워크로드와 같은 스펙트럼적 특징에 의존하는 작업에서 OpenBCI와 g.USBamp의 분류 정확도는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 동일한 생리적 조건 하에서 OpenBCI가 기록한 EEG 신호와 g.USBamp의 신호 간 상관관계는 어느 정도인가?
• RQ5 어댑터에 이상적 다이오드를 사용하는 것이 앰프 간 격리 기능을 효과적으로 제공하여 간섭을 줄이고 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• OpenBCI는 P300 스펠러 및 워크로드 모니터링 작업 양쪽 모두에서 우연보다 훨씬 높은 AUROCC 점수를 기록하여 신뢰할 수 있는 분류 성능을 보였다.
• 이deal 다이오드를 사용한 격리 설정에서 OpenBCI와 g.USBamp가 기록한 평균 ERP 간 상관계수(R)는 평균 0.88에 도달하여 강한 신호 유사성을 보였다.
• 샘플링 속도가 낮은 점(125Hz 대 g.USBamp의 최대 16,000Hz)에도 불구하고 OpenBCI의 성능은 테스트된 BCI 응용 분야에서 g.USBamp와 유사했다.
• 직접 연결 설정에서는 기대보다 약간 낮은 ERP 상관계수(R ≈ 0.88)를 보였으며, 이는 어댑터로 인한 가능한 간섭을 시사했지만, 분류 정확도는 여전히 높았다.
• 이deal 다이오드를 사용한 어댑터는 교차 간섭을 줄였고, 신호 정밀도를 향상시켰지만, 두 어댑터 유형 간 성능 차이가 유의미하게 관찰되지 않았다.
• OpenBCI의 EEG 읽기 결과는 g.USBamp와 매우 유사했으며, 의료 등급 인증이 없음에도 불구하고 실질적인 비의료용 BCI 응용 분야에서 사용 가능한 분류 정확도를 확보했다.