Development of a wearable and cost-effective brain-computer interface

Individuals living with debilitating conditions, caused by brain or spinal cord injuries, amyotrophic lateral sclerosis or other diseases, are no longer able to voluntary control muscles movement. For these individuals, assistive technologies are required to allow, or ease, communication and mobility. One example of assistive technologies are Brain-Computer Interfaces (BCI). In this work, we present the development of a wearable and cost-effective BCI assistive device. The proposed assistive device functions based on the P300 response of the human brain. The device allows the disabled individual to type words on a computer screen or on a mobile device, and also to control a robotic arm via a computer. Therefore, augmenting communication capabilities and allowing for the control of external devices. The presented assistive device was validated on two healthy subjects. Amongst them, the average maximum information transfer rate for word composition was 12.19 bits/min, while for two different modes of robotic arm control it was 9.95 bits/min, and 4.09 bits/min. The results show that the performance of our wearable and cost-effective device is comparable to the performance of previously published studies involving clinical grade EEG acquisition systems. Improvements of the device and a validation by disabled users are required to complete the transition from laboratory setting to in-home use, allowing many disabled individuals to improve their quality of life.

Individui affetti da sclerosi laterale amiotrofica, lesioni a livello della colonna vertebrale o da danni cerebrali non sono più in grado di controllare in modo volontario i muscoli del corpo. Per permettere, o facilitare, la mobilità e la comunicazione di queste persone, sono necessari dispositivi di tecnologia assistiva. Un esempio di tecnologia assistiva sono le Interfacce Cervello-Computer (BCI, dall'inglese Brain-Computer Interfaces). In questo lavoro è stata sviluppata una BCI wearable e a basso costo. La BCI proposta in questo lavoro è basata sulla risposta cerebrale P300. Questa BCI permette all'utente di scrivere parole sullo schermo di un computer o su un dispositivo mobile e di controllare un braccio robotico attraverso un computer. Di conseguenza, essa aumenta le capacità di comunicazione e permette all'utente di controllare un dispositivo esterno. Per verificare la funzionalità della BCI sviluppata in questo progetto, sono stati effettuati dei test sperimentali su due soggetti sani. Il valore medio tra i due soggetti di massimo trasferimento di informazione ottenuto nella composizione di parole è stato pari a 12.19 bits/min, mentre per quanto riguarda due diverse modalità di controllo del braccio robotico è stato di 9.95 bits/min e di 4.09 bits/min. I risultati ottenuti in questo lavoro sono confrontabili con quelli ottenuti in altri studi relativi a BCI basate su onda P300, in cui però è stata utilizzata della strumentazione clinica di alta qualità per l'acquisizione del segnale EEG. Miglioramenti del dispositivo e una validazione da parte di soggetti disabili permetteranno, in futuro, di completare la transizione dall'utilizzo del dispositivo all'interno di un laboratorio all'utilizzo in un ambiente domestico: ciò consentirà di migliorare notevolmente la qualità di vita di soggetti disabili.