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 <michael.mercier@e.ujf-grenoble.fr>
• 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 Computeur Interfaces (BCI) se sont rapidement développés depuis les années 1970. Cette présentation à pour but de détailler les différents types d'interfaces qui existent et quelles sont leurs usages. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux BCI accessible au grand public qui apparaissent sur le marché depuis quelques années. Nous détaillerons les nombreuses technologies utilisées afin de pouvoir comparer les différent modèles disponibles. Nous conclurons sur ces questions: Ces nouvelles interfaces vont elles réellement être adoptées par le grand public? Quelle est l'avenir du développement des BCI?

Mots Clés

interfaces Cerveau Machine, Brain Computeur Interfaces,BCI , électroencéphalogramme, électromyogramme, multimodalité, MindWave NeuroSky, Emotiv EPOC, OpenEEG

Synthèse

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

Les interfaces cerveau-ordinateur

Il existe de nombreux type de BCI utilisant des technologies différentes plus ou moins invasives:

• 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 comunication bidirectionnel avec la machine. Cependant, une chirurgie très lourdes est nécessaire ce qui limite cette technologie essentiellement aux cas de handicape paralysant.
  • Electrodes externes: bien qu'étant moins invasives que les implants interne ce type de BCI qui place des électrode directement sur la surface du cerveau, reste elle aussi réserver au cas pathologique.
• Les technologies non invasives

étant beaucoup moins contraignantes que les prétendantes, c'est ce type de technologie qui est le plus accessible au grand public et qui est déjà utilisé dans des jeux et autre objets ludiques. C'est ces technologies capable de toucher un large public qui vont être détaillées dans la suite de cette synthèse.

Principes de fonctionnement (Rédaction en cours)

Afin de tenter de capter les pensées d'un individus à l’extérieur de sa boite crânienne, les interfaces cerveau-ordinatueur utilise l'électroencéphalographie.

L'électroencéphalographie (EEG)

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

Il existe différents types d’électrodes qui sont utilisées pour l'électroencéphalographie. Elles sont souvent placées sur un casque et sont caractérisé par le produit que l'on ajoute dessus dans le but d’amélioré le captage des ondes cérébrales:

• Gel: cette solution fonctionne bien mais 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 électrodes de solutions saline. Le problème principale 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 canditate numéro un pour les dispositifs les plus récents. Toutefois, la qualité de signale qu'elle fournit semble pour le moment être moins bonne que les technologie précédente.

Pour compenser la faible qualité du signal dû au faite que le dispositif est non invasif, il faut de puissant algorithme de reconnaissance des onde cérébrales. Il doivent à la fois réduire le bruit électromagnétique générer par tous les dispositifs radio (téléphones, Wi-Fi, etc.) et reconnaître les différent type d'onde cérébrales pour les différencier et an 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 invasive.

Multimodalité : une meilleure interaction

Comme expliqué dans la partie précédente, les BCI non invasive manque de réactivité. Pour pallier à ce problème le couplage de plusieurs technologie 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 afflues nerveux)
• Gyroscope (capte les mouvement de la tête)
• Détection des yeux

Comparaison des produits grand public

MindWave - NeuroSky

NeuroSky

Ce casque est le dernier modèle de ce type qui est sortie sur le marché (mars 2011). Il très abordable et relativement simple. De plus son électrode sèche le rend facilement utilisable par tout les publics sans temps de préparation. De nombreuses application sont déjà disponibles sur de nombreuses 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

Avantage et Inconvénients

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

Emotiv - EPOC

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 mental et de mouvements du visage que le précédent. Il est toutefois plus contraignant à utiliser car les électrode 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

Avantage et Inconvénients

• À partir de 300$
• SDK payant 500$
• Détecte 4 états mental, 13 pensés et les expressions faciales
• Pas compatible avec les mobiles
• Propose 25 applications

OpenEEG

Logo OpenEEG

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

Avantage 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 accessible au grand public: Les prix sont en forte baisse et les technologies utilisées permettent une meilleur performance en supprimant les contraintes. L'aide au handicape devient elle aussi beaucoup plus abordable grâce à ces nouveau dispositif: 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 utilisé 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, [1]

Wikipedia : Neural Impulse Actuator, [2]

Wikipedia : NeuroSky, [3]

Wikipedia : Brain Computer Interface, [4]

Wikipedia : Electroencephalography, [5]

Emotiv : Official Web Site, [6]

Gtech : Official Web Site - product, [7]

NeuroSky : Official Web Site, [8]