[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过使用相同电极和设置的并行记录，比较了开源OpenBCI脑电放大器与医疗级g.tec g.USBamp。尽管采样率较低且未获医疗认证，OpenBCI在P300拼写器和工作负荷监测任务中的分类准确率接近g.USBamp，表明其在非医疗脑机接口应用中是一种可行且低成本的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 评估类似OpenBCI的开源硬件脑电放大器是否可作为脑机接口应用中医疗级脑电系统的一种经济有效替代方案。
• 通过实现从相同电极同步记录，解决以往研究在非相同条件下比较脑电系统的问题。
• 研究当两个放大器并联连接时，电气干扰对信号质量的影响，使用自定义适配器进行测试。
• 评估OpenBCI在两种不同脑机接口任务中的表现：一种强调时间特征（P300拼写器），另一种关注频谱特征（工作负荷监测）。

提出的方法

• 设计了一块定制印刷电路板（PCB）适配器，使OpenBCI和g.USBamp放大器能够同时连接到同一组16个g.Ladybird有源电极上。
• 实施两种实验条件：第一种为放大器直接并联连接，第二种为使用理想二极管隔离信号路径的适配器，以防止交叉干扰。
• 采用标准化导联配置，使用g.tec的湿性有源电极，确保两个放大器的信号输入一致。
• 在两项任务中记录脑电信号：一项为视觉P300拼写器任务，用于评估时间相关的事件相关电位（ERP）特征；另一项为工作负荷监测任务，用于评估频谱功率变化。
• 对每个放大器的时间特征（ERP）和频谱特征（功率带）使用线性分类器计算分类准确率。
• 通过皮尔逊相关系数（R）计算两个放大器在平均ERP和频谱功率上的信号相关性，并通过AUROCC得分评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与医疗级设备g.USBamp对比时，OpenBCI脑电放大器能否产生足够高质量的脑电记录，以支持可靠的脑机接口性能？
• RQ2 并联连接的第二个放大器是否引入了可测量的信号失真或干扰，从而影响记录质量？
• RQ3 在不同脑机接口任务中，OpenBCI与g.USBamp的分类准确率如何比较——特别是针对依赖时间特征（P300）和依赖频谱特征（工作负荷）的任务？
• RQ4 在相同生理条件下，OpenBCI记录的脑电信号与g.USBamp记录的信号相关程度如何？
• RQ5 在适配器中使用理想二极管是否能有效隔离放大器，减少干扰，从而提高测量保真度？

主要发现

• OpenBCI在P300拼写器和工作负荷监测任务中均获得了远超随机水平的AUROCC得分，表明其具备可靠的分类性能。
• 在二极管隔离设置下，OpenBCI与g.USBamp记录的平均ERP相关性达到均值R = 0.88，表明信号高度相似。
• 尽管采样率较低（125Hz vs. g.USBamp最高可达16,000Hz），OpenBCI在所测试的脑机接口应用中表现与g.USBamp相当。
• 直接连接设置下的ERP相关性（R ≈ 0.88）略低于预期，表明适配器可能存在干扰，但分类准确率仍保持较高水平。
• 使用理想二极管可减少串扰并提高信号保真度，尽管两种适配器类型之间未观察到显著的性能差异。
• 尽管缺乏医疗认证，OpenBCI的脑电信号与g.USBamp非常接近，实际分类准确率足以满足非医疗脑机接口应用的需求。