Brain computer interface based on motor movement and imagery tasks for controlling virtual arm

Abstract

Ao longo das últimas décadas, os seres humanos buscam formas alternativas de se comunicar com máquinas ou sistemas a fim de superar as dificuldades impostas pelas limitações biológicas, deficiências ou apenas para criar um dispositivo vestivel útil. Essas motivações levaram cientistas e pesquisadores a desenvolver e melhorar dispositivos para registrar a atividade cerebral, abrindo, assim, inúmeras oportunidades na área de interface cérebrocomputador (ICC). Essa área emprega sinais cerebrais (tipicamente, eletroencefalografia - EEG) para controlar ou se comunicar com diversos sistemas. Nesse sentido, este trabalho procura estudar, tanto quanto possível, os equipamentos disponíveis para registro de dados de EEG (OpenBCI), bem como sua aplicação em um ambiente de Realidade Virtual (RV). Neste trabalho, uma metodologia típica da ICC é empregada para avaliar o dispositivo em uma tarefa motora usando sinais de EEG e eletromiografia (EMG); esse procedimento é dividido em etapas como gravação, filtragem, extração de recursos e treino de um algoritmo de classificação. Após o treino, o sistema é testado em uma experiência de RV, onde o usuário pode controlar uma mão virtual usando movimentos reais ou imaginários. Os resultados obtidos demonstram o potencial do OpenBCI e o escopo que a tecnologia de código aberto tem dentro do ICC e RV; Da mesma forma que o desenvolvimento de sistemas que usam movimentos reais e imaginários como forma de interação, pode ser usado tanto com pessoas com deficiência quanto com pessoas sem deficiência.

Throughout of the last decades, humanity have sought for alternative ways to communicate themselves with machines or systems, in order to overcome difficulties imposed by biological limitations, impairments or just to create a useful wearable. Those motivations have lead scientists and researchers to develop and improve devices for recording brain activity, thus opening countless opportunities in Brain-Computer Interface (BCI) area. This area employs brain signals (typically, Electroencephalography - EEG) to control or communicate with many systems. In that sense, this work seeks to study as much as possible the recently acquired equipment for recording EEG data (OpenBCI) as well as its application in a Virtual Reality (VR) environment. Therefore, a typical BCI methodology is employed for evaluating the device in a motor task using both EEG and Electromyography (EMG) signals; this procedure is divided into recording data, filtering, feature extraction, and classification. Finally, after the training part, the system is tested in a VR experience where the user can control a virtual arm using either real or imagined movements. The present achieved results demonstrate the potential of OpenBCI and the scope that open source technology has within BCI and VR; likewise, the development of systems, which uses both real and imaginary movements as interaction way, can be used for both impairment and non-impairment people.