EA2012 BCI

This page is related to the presentation made for the EA2012 curse in RICM5

Presentation

 * Title: Brain-Computeur Interfaces : La connexion cerveau machine accessible à tous
 * Author: Michael Mercier 
 * Download:[[File:Brain-Computeur_Interfaces.pdf]]

Abstract
The Brain Computer Interfaces (BCI) has been quickly developed since the 1970s. This presentation aim at detail the different BCI types and how these are used. Furthermore, the BCI accessible to the general public since a few years will be reviewed. The severals employed technologies will be discuss in order to compare the different available designs. To conclude, these questions will be approach: Does the new BCI will be embrace by the general public? What is the future of the BCI?

Keywords
Brain Computer Interfaces, BCI, electroencephalography, electromyography, multimodal interaction, MindWave NeuroSky, Emotiv EPOC, OpenEEG

Résumé
Les interfaces Cerveau Machine ou Brain Computer Interfaces (BCI) se sont rapidement développées depuis les années 1970. Cette présentation a pour but de détailler les différents types d'interfaces qui existent et quels sont leurs usages. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux BCI accessibles au grand public qui apparaissent sur le marché depuis quelques années. Nous détaillerons les nombreuses technologies utilisées afin de pouvoir comparer les différents modèles disponibles. Nous conclurons sur ces questions: Ces nouvelles interfaces vont-elles réellement être adoptées par le grand public? Quel est l'avenir du développement des BCI?

Mots Clés
interfaces Cerveau Machine, Brain Computer Interfaces, BCI, électroencéphalogramme, électromyogramme, multimodalité, MindWave NeuroSky, Emotiv EPOC, OpenEEG

Synthèse
Les interfaces cerveau-ordinateur ou Brain Computer Interfaces (BCI) ont vu réellement le jour dans les années 70 dans des laboratoires de recherche de University of California Los Angeles aux USA. Le but premier de ces interfaces était d'aider des handicapés lourds à communiquer à nouveau et à piloter des machines directement grâce à leur pensée. Depuis quelques années la BCI est sortie de son usage premier pour devenir une nouvelle interface ludique pour le grand public.

Les interfaces cerveau-ordinateur
Il existe de nombreux types de BCI utilisant des technologies différentes plus ou moins invasives: étant beaucoup moins contraignantes que les précédentes, ce type de technologie reste le plus accessible au grand public et est déjà utilisé dans des jeux et autres objets ludiques. Ces technologies, capables de toucher un large public, vont être détaillées dans la suite de cette synthèse.
 * Les technologies invasives
 * Implants internes: ce type d'implant permet de connecter directement des neurones à l'interface. Cela permet une grande précision de lecture et une communication bidirectionnelle avec la machine. Cependant, une chirurgie très lourde est nécessaire ce qui limite cette technologie essentiellement aux cas de handicape paralysant.
 * Électrodes externes: bien qu'étant moins invasif que les implants internes, ce type de BCI qui place des électrode directement sur la surface du cerveau, reste lui aussi, réservé aux cas pathologiques.
 * Les technologies non invasives

Principes de fonctionnement
Pour tenter de capter les pensées d'un individu à l’extérieur de sa boite crânienne, les interfaces cerveau-ordinateur utilisent l'électroencéphalographie.

L'électroencéphalographie (EEG)
Cette technique consiste à capter les ondes cérébrales qui s’échappent de la boite crânienne grâce à des électrodes placées sur le cuire chevelu. La reconnaissance des ondes captées se fait par apprentissage.Elle permet donc à la machine de répondre à une pensée dont elle a reconnu la signature apprise au préalable.

Il existe différentes sortes d’électrodes utilisées pour l'électroencéphalographie. Elles sont souvent placées sur un casque et sont caractérisées par le produit que l'on ajoute dessus dans le but d’améliorer le captage des ondes cérébrales:
 * Gel: cette solution fonctionne bien mais elle est très contraignante car salissante. Il faut se laver les cheveux après chaque utilisation du dispositif.
 * Solution saline: moins salissante que la première cette technologie nécessite tout de même une préparation laborieuse consistant à enduire chaque électrode de solution saline. Le problème principal étant que une fois les électrodes sèches, le captage des ondes ne fonctionne plus correctement.
 * Sèche: cette technologie est la plus récente. Elle offre un confort et une facilité d'utilisation qui en font la candidate numéro un pour les dispositifs les plus récents. Toutefois, la qualité du signal qu'elle fournit semble pour le moment être moins bonne que les technologies précédentes.

Pour compenser la faible qualité du signal due au fait que le dispositif est non invasif, il faut de puissants algorithmes de reconnaissance des ondes cérébrales. Ils doivent à la fois réduire le bruit électromagnétique généré par tous les dispositifs radio (téléphones, Wi-Fi, etc.) et reconnaître les différents types d'ondes cérébrales pour les différencier et en extraire une signature correspondant à la pensée de l'utilisateur. Ces algorithmes sont très complexes et induisent une latence forte, ce qui réduit le confort d'utilisation des BCI non invasives.

Multimodalité : une meilleure interaction
Comme expliqué dans la partie précédente, les BCI non invasives manquent de réactivité. Pour pallier à ce problème, le couplage de plusieurs technologies est utilisé pour améliorer la réactivité de l’interface. Voici les différentes technologies utilisées:
 * L'électroencéphalographie (EEG) (décrite ci-dessus)
 * L’électromyographie (EMG) (capte le mouvement des muscles grâce aux afflux nerveux)
 * Gyroscope (capte les mouvements de la tête)
 * Détection des yeux

MindWave - NeuroSky
Ce casque est le dernier modèle de ce type sorti sur le marché (mars 2011). Il est très abordable et relativement simple. De plus son électrode sèche lui permet une utilisation facile par tous les publics, sans temps de préparation. De nombreuses applications sont déjà disponibles sur de multiples plates-formes. Tout cela le rend très attractif et c'est peut-être le modèle le plus accessible pour le grand public.

Caractéristiques
 * 1 électrode sèche (EEG)
 * 1 capteur frontal (EMG)
 * Une pince d’oreille qui capte la tension

Avantages et Inconvénients
 * Seulement 2 états mentaux détectés
 * À partir de 100$
 * SDK fournit gratuitement
 * Compatible avec les PC et les Mobiles: Windows, Mac, iOS, Android
 * Propose environ 80 applications

Emotiv - EPOC
Nous avons pu tester ce casque dans le cadre de ce cours grâce au Laboratoire d'Informatique de Grenoble (LIG) qui nous a prêté le matériel. Il détecte beaucoup plus d'états mentaux et de mouvements du visage que le précédent. Il est toutefois plus contraignant à utiliser car les électrodes doivent être humidifiées de solution saline pour permettre une utilisation correcte. Il est d'avantage destiné à la recherche qu'au grand public tant par son prix que par le nombre d'applications proposées.

Caractéristiques
 * 14 électrodes avec solution saline (EEG et EMG)
 * Gyroscope

Avantages et Inconvénients
 * À partir de 300$
 * SDK payant 500$
 * Détecte 4 états mentaux, 13 pensées et les expressions faciales
 * Pas compatible avec les mobiles
 * Propose 25 applications

OpenEEG
Contrairement aux deux produits détaillés ci-dessus, OpenEEG est en fait un projet libre fournissant les connaissances nécessaires à la création de sa propre BCI.

Avantages et Inconvénients
 * Software Open Source
 * Plan disponible pour le hardware
 * Nécessite des connaissances en électronique et en informatique
 * Voir sur le site de OpenEEG

Conclusion
Les interfaces Cerveau-Machine semblent devenir de plus en plus accessibles au grand public: les prix sont en forte baisse et les technologies utilisées permettent une meilleure performance en supprimant les contraintes. L'aide au handicap devient elle aussi beaucoup plus abordable grâce à ces nouveaux dispositifs: par exemple, ils peuvent être utilisés pour le pilotage d'un fauteuil roulant par les mouvements du visage.

Ces dispositifs sont basés sur des technologies encore jeunes. Nous pouvons donc attendre de meilleurs performances dans l'avenir. De plus, la multimodalité déjà utilisée dans la plupart des BCI, offre une infinité de combinaisons à explorer pour améliorer l'utilisabilité de ces nouveaux outils.

Références
Wikipedia : Comparison of consumer brain–computer interfaces, 

Wikipedia : Neural Impulse Actuator, 

Wikipedia : NeuroSky,

Wikipedia : Brain Computer Interface, 

Wikipedia : Electroencephalography, 

Emotiv : Official Web Site,

Gtech : Official Web Site - product,

NeuroSky : Official Web Site,