Biometria

Stato delle ricerche sulla lettura delle onde cerebrali

Dopo molte ricerche, siamo arrivati alla conclusione che non è possibile ricavare informazioni affidabili “guardando” il cervello dall’esterno.

Non si tratta di budget, si tratta di vedere il cervello dal di fuori, quindi vedere solo il risultato della somma della attività di tutti i neuroni del cervello insieme (con minime differenze dovute alla posizione degli elettrodi – talmente minime che gran parte delle volte è solo rumore o disturbi dovuti ai movimenti)

Per cui il “paziente” non può “pensare a un tasto premuto” ma lo ottiene con una attività diversa. E premere il tasto è solo un effetto collaterale di questa intensa attività. In pratica si deve imparare a coinvolgere tutto il cervello e sincronizzarlo, per far aumentare, ad esempio, le onde Alfa rispetto alle Beta. Una persona normale non ci riesce proprio, i più bravi riescono a farlo in alcuni secondi, ma solo concentrandosi e stando fermi.

Un po’ come dire: “per premere il tasto freccia-su devi smettere di respirare fino a che vedi che il tasto è premuto, per rilasciarlo ricominci a respirare e dopo alcuni secondi si rilascerà”

Eseguire azioni con il pensiero ?

Per eseguire azioni esistono metodi migliori. Se fosse questione di budget gli allievi di Hawking (https://it.wikipedia.org/wiki/Stephen_Hawking) avrebbero dotato la sua sedia di un casco super elaborato. Ma le hanno provate tutte e alla fine hanno scelto di guardare i movimenti oculari con una telecamera.

Con una telecamera, ad esempio, la chiusura degli occhi si rileva in tempi brevissimi. Con la chiusura dei due occhi si possono ottenere quattro bit di informazione e molti di più con i movimenti degli occhi, gli impulsi mioelettrici, la direzione e velocità del respiro etc… Con queste tecniche si possono ottenere facilmente decine di bit al secondo mentre con un EEG, per quanto costoso, i tempi di reazione sono di molti secondi per un solo bit.

Per Hawking hanno fatto proprio così, se si guarda con attenzione, in tutte le sue foto recenti si vede una telecamera appesa agli occhiali (e in alcuni casi anche altri sensori sperimentali).

     

E ora Hawking può parlare, navigare in internet e anche scrivere libri. Con il pensiero non potrebbe mai fare tutte queste cose.

Se ci fosse qualche possibilità di usare il pensiero non avrebbe problemi di budget. La sola carrozzina costa come centinaia di MindWave e di EmotivEEG e aveva già batterie al litio quando nessuno di noi le aveva nemmeno sentite nominare.

Possiamo noi fare meglio del MindWave e dell’EmotivEEG ?

Dispiace dirlo, ma non possiamo. Quei due apparecchi sono stati progettati con molta cura e “le tentano tutte” per ottenere il miglior risultato possibile. Eppure ottengono risultati più o meno confusi (quando va bene), e del tutto casuali (quando il soggetto non è adatto).

Soggetto inadatto? Le scuse sono sempre le stesse, si deve allenarsi di più, ci vuole più concentrazione… In pratica per premere un tasto bisogna rilassarsi completamente e poi concentrarsi per alcuni secondi. Cosa si dovrebbe fare per scrivere un messaggio? Probabilmente dieci anni di apprendistato come monaco buddista.

Oramai gli elettrodi di una certa qualità sono tutti senza contatto, ma i risultati sono sempre più o meno gli stessi: grande instabilità e nessuna sicurezza che se ha funzionato oggi funzionerà anche domani. Nemmeno con 24 terminazioni e con apparecchi grossi con un armadio sono riusciti ad avere risultati decenti.

Elettrodi attivi  (prima versione)

 

La prima versione, come da immagini precedenti, richiedeva un particolare elettrodo con punte argentate. Ringraziamo Marco Vitali della ditta: www.vitalibruno.com per averci preparato velocemente un involucro di test in argento (vedere immagine). Per fare contatto con la pelle non c’è di meglio che l’argento, nemmeno l’oro è migliore, e le punte aiutano a passare i capelli e a mantenere fermo l’elettrodo.

Purtroppo le prove hanno dimostrato che anche con questi elettrodi basta il minimo movimento per creare differenze di potenziale dello stesso ordine di grandezza dei segnali EEG (100 uV). Per evitarlo si deve sgrassare la pelle con alcool e premere molto con la fascia. E purtroppo accade anche che dopo un certo tempo le punte, per quanto arrotondate, comincino a dare fastidio. In meno di un ora si creano segni nella pelle che poi durano per lungo tempo.

In conclusione, dispiace dirlo, ma questa strada non è abbastanza affidabile per far parte del sistema Theremino.

Elettrodi attivi  (senza contatto)

Fortunatamente durante le prove con il guscio in argento schermante e con gli elettrodi a impedenza altissima abbiamo scoperto che anche con un sottile strato isolante tra elettrodo e pelle i segnali utili continuavano a passare per capacità.

Abbiamo scoperto la rilevazione ECG e EEG senza contatto!!!
Come al solito però è difficile arrivare per primi.
Basta cercare “Non contact electrodes” su Google…

Gli elettrodi senza contatto hanno molti vantaggi, primo tra tutti la completa eliminazione del collegamento galvanico con il paziente, quindi sicurezza al 100% senza batterie o complicati circuiti di alimentazione con norme di sicurezza impossibili.

Vantaggi degli elettrodi senza contatto:

• Sicurezza totale (il paziente è elettricamente isolato)
• Eliminazione dei complicati circuiti di isolamento
• Eliminazione della necessità di andare a batterie
• Niente tensioni galvaniche da contatto per cui non serve l’argento
• Potendo usare il rame si fa tutto con più strati di circuito stampato
• Segnale migliore anche se il paziente si muove
• “Zero preparation” (non si deve pulire la pelle con alcool)
• Niente punte di contatto
• La superficie piatta e più facile da sterilizzare
• Funzionamento anche attraverso i vestiti
• Con prestazioni ridotte si arriva anche ad alcuni centimetri di distanza
• Con prestazioni ridotte si possono fare elettrodi in stoffa (inumidita anche solo dal sudore)

Prime prove degli elettrodi con generatore di segnali

Chi volesse fare prove con ThereminoEEG versione 1.0 può scaricarlo da qui:
https://www.theremino.com/downloads/biometry#eeg

Per provarlo si può usare un pin impostato come ingresso Cap16 di tipo proporzionale e muovere con un dito. Se si muove velocemente si riesce ad arrivare anche oltre i 10 Hertz.

Stiamo preparando i nuovi PCB

O prima o poi cominceremo le prove di questi nuovi PCB. Il cerchio centrale sulla destra è l’elettrodo che si accoppia con la pelle, l’anello (e la faccia posteriore tutta in rame che non si vede) lo isolano dall’ambiente esterno con uno schermo attivo che riduce l’effettiva capacità praticamente a zero.

Per le prime prove abbiamo scelto un diametro esterno di 30 mm e lo spessore totale sta sotto ai 5 mm. Sono elettrodi abbastanza piccoli da stare comodamente al loro posto infilandoli sotto a una fascia elastica, ma nello stesso tempo hanno ben 6 centimetri quadri di elettrodo attivo.

La forma rotonda è un importante miglioramento, diventa molto più facile costruirli meccanicamente e fare i contenitori.

Versione 2 – con compensazione della capacità

 

Questa nuova versione ha un circuito di compensazione più complesso che, secondo le simulazioni, dovrebbe migliorare il funzionamento anche con elettrodi lontani dalla pelle. Con i forti segnali ECG si riesce a lavorare anche a distanze incredibili dalla pelle (10 mm  e anche fino a 20 mm con un certo degrado della banda passante)

Stiamo facendo esperimenti per determinare se questa compensazione è effettivamente necessaria e quali sono i migliori valori dei componenti.

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Montaggio del sensore

Prima di tutto tenete conto che non lo abbiamo provato quindi forse non funzionerà proprio. Potrebbe non funzionare bene o non funzionare del tutto per mille motivi, potrebbe auto-oscillare o raccogliere disturbi a frequenza di rete al punto da essere del tutto inusabile. Purtroppo il poco tempo che abbiamo se ne sta andando tutto per il NetHAL e i NetMaster che funzioneranno in rete e anche in WiFi (ma non con tutti i tipi di Pin del Master e con un solo Adc).

Il disco che si vede a sinistra è la faccia che va verso la pelle. Il lato verso la pelle da ora lo chiameremo “in basso”.

Naturalmente le parti metalliche non devono toccare la pelle quindi ci vorrà anche uno strato di sottile plastica isolante. Una plastica sottile come quella delle bottiglie dell’acqua può andare bene. La plastica andrà “imbutita” a caldo per formare un bicchierino. In alternativa si potrebbe trovare un bicchierino del diametro esatto e di plastica molto sottile.

La parte centrale del primo disco è la zona sensibile che deve accoppiarsi capacitivamente con la pelle e che è terribilmente sensibile e quindi va schermata il più possibile dai campi elettrici a frequenza di rete in arrivo dall’impianto elettrico.

Per cui attorno alla zona sensibile c’è un anello chiamato “di guardia”.

Il secondo disco è la faccia posteriore del primo disco e serve per schermare elettricamente la zona sensibile centrale dai componenti del terzo disco che altrimenti trasferirebbero per capacità i loro segnali al disco sensibile facendo irrimediabilmente autooscillare tutto quanto.

Intorno al primo e al secondo disco ci sono dei fori metallizzati che si comportano come una gabbia di Faraday e aiutano a schermare quel poco di segnale che potrebbe provenire dai lati.

Sia l’anello di guardia che la faccia posteriore sono collegati con un piccolo filo che passerà attraverso un forellino da fare nel rettangolo argentato “GUARD” del terzo disco. Li si collega a “GUARD” invece che a massa perché altrimenti la capacità verso massa smorzerebbe completamente il segnale.

Nella prossima immagine si vede il rettangolo argentato in cui si farà il forellino dove passa il filo che andrà saldato a “GUARD” del primo disco. E anche il rettangolo “IN” avrà un forellino con un piccolo filo che andrà saldato a “IN” del primo disco.

Non abbiamo fatto i fori nelle piazzole GUARD e IN del terzo disco perché si pensava di montarlo con il lato dei componenti verso il primo disco e quindi di farlo a doppia faccia con il retro completamente ramato in alto e collegato dalla corona di fori alla sua massa. Ma questo montaggio avrebbe reso impossibile fare prove. Ad esempio, modificare un componente o saldare un filino in qualche punto per fare misure.

Per cui nei prototipi (ancora da provare) abbiamo fatto il terzo disco a una faccia sola e lo montiamo con i componenti verso l’alto (non verso la pelle). Ma attenzione che con questo tipo di montaggio si dovrà fare attenzione a due cose:

1) Che la corona esterna di fori non siano metallizzati e quindi non vadano a toccare la faccia esterna del primo disco.

2) Che i componenti non andranno lasciati scoperti ma che si dovrà aggiungere un disco “tutto rame” per schermarli verso l’alto. Questo ultimo schermo andrà saldato con un solo filo laterale, in modo da poterlo scoperchiare per accedere ai componenti e poi richiudere durante i test di funzionamento.

E infine, alle tre piazzole sulla destra: SIGNAL, + 5  e GND, si salderanno tre fili morbidi che andranno a un Pin del Master configurato come Adc16.

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Per chi volesse fare esperimenti, ecco il progetto allo stato attuale (da migliorare appena avremo tempo)
Download del progetto Eagle + simulazioni + immagini 3D
Sensor_NonContact_V2