Evaluación experimental y estadística de un prototipo de interfaz cerebro-computador (ICC) / Experimental and statistical evaluation of a brain-computer interface (BCI) prototype

RESUMEN

En la actualidad, las Interfaces Cerebro-Computador (ICC) se diseñan con el fin de usarlas tanto en estudios experimentales como clínicos, y cuyos resultados permiten la creación de nuevas tecnologías asistidas para personas que se encuentran en situación de discapacidad motora. En el año 2008 se desarrolló un prototipo de una ICC en la Escuela de Ingeniería de Antioquia y la Universidad CES, la cual hace uso de los potenciales evocados cognitivos P300 mediante electroencefalografía (EEG). En este trabajo se propone un estudio experimental y estadístico para comparar un prototipo de ICC con un sistema comercial (USBamp), estudiando si existen diferencias significativas entre los dos sistemas. El estudio se concentra en pruebas destinadas a la caracterización de sistemas empleando como entrada, inicialmente, señales determinísticas con diferentes valores de frecuencia y amplitud, y cuya evaluación se hace a través del valor cuadrático medio, la densidad espectral de las señales, el tiempo de respuesta y el máximo pico ante un estímulo. En segunda instancia, se realizan pruebas análogas en señales de P300 evaluando la energía de la señal y el tiempo de latencia por canal. Se hace uso de elementos de inferencia estadística como la evaluación de hipótesis para dos medias suponiendo varianzas desconocidas iguales y prueba de medias para dos muestras pareadas. De las pruebas evaluadas se concluye que la ICC es apta en cuanto la adquisición de EEG y su procesamiento, pero se establecen planes de mejoramiento para algunos tratamientos que incluyen el diseño de nuevos circuitos para mejorar el ancho de banda.

ABSTRACT

Nowadays, brain-computer interfaces (BCI) are designed to use them in experimental and clinical studies, which results allow the creation of new assistive technologies for people with motor disabilities. In 2008, a prototype of a BCI was developed in the School of Engineering of Antioquia and University CES, which uses the cognitive P300 evoked potential recorded by electroencephalography (EEG). In this paper we propose an experimental and statistical design to compare our BCI prototype with a commercial device (USBamp), studying if they show significant differences or not. At first instance, this study is focused in some tests that characterize the systems using as input, deterministic signals with different values of frequency and amplitude, and which evaluation is made through mean square value, signals spectral density, response time and maximum peak during a stimulus. Secondly, we performed some analog tests in P300 signals evaluating signal energy and latency per channel. We use elements of statistical inference such as the evaluation of a hypothesis for two means assuming unknown equal variances and equal means tests for two paired samples. According to the evidence, we concluded that our BCI is suitable to measure and process EEG signals but is necessary to establish some improvement for certain treatments such as the design of new circuits to optimize band width.