Utilizzo dell'elettroencefalografia per la brain-computer interface

Con Brain-Computer Interface si intende un collegamento diretto tra cervello e macchina, che essa sia un computer o un qualsiasi dispositivo esterno, senza l’utilizzo di muscoli. Grazie a sensori applicati alla cute del cranio i segnali cerebrali del paziente vengono rilevati, elaborati, classificati (per mezzo di un calcolatore) e infine inviati come output a un device esterno. Grazie all'utilizzo delle BCI, persone con gravi disabilità motorie o comunicative (per esempio malati di SLA o persone colpite dalla sindrome del chiavistello) hanno la possibilità di migliorare la propria qualità di vita. L'obiettivo di questa tesi è quello di fornire una panoramica nell'ambito dell'interfaccia cervello-computer, mostrando le tipologie esistenti, cercando di farne un'analisi critica sui pro e i contro di ogni applicazione, ponendo maggior attenzione sull'uso dell’elettroencefalografia come strumento per l’acquisizione dei segnali in ingresso all'interfaccia.

Introduzione agli elettrodi senza contatto per uso medico

I segnali biopotenziali cardiaci e neurali nelle forme di elettroencefalogramma (EEG) ed elettrocardiogramma (ECG) sono due indicatori fisiologici molto importanti che ben si prestano ad un monitoraggio sanitario wireless a lungo termine. Nonostante gli innumerevoli progressi compiuti nel campo della tecnologia wireless e della microelettronica, l’utilizzo dell'EEG/ECG risulta essere ancora limitato dai disagi e dalle scomodità dovute all’impiego di elettrodi a contatto bagnato (wet contact electrodes). Gli elettrodi adesivi ad uso clinico sono spesso percepiti dai pazienti su cui vengono applicati come irritanti e scomodi, riducendo notevolmente l’accondiscendenza ad un loro utilizzo costante nell'ambiente domestico, ovvero al di fuori dello stretto controllo medico-sanitario. Come alternativa si ricorre all’uso di elettrodi a secco (dry electrodes), questi però, in mancanza della capacità di conduzione del gel, sono molto più sensibili alle condizioni della pelle e pertanto suscettibili agli artefatti legati al movimento. Questa tesi si ripropone di illustrare in maniera il più possibile organica e precisa il principio di funzionamento degli elettrodi senza contatto, con particolare attenzione al ruolo rivestito dai segnali EEG ed ECG. L’analisi intende inoltre mettere in evidenza l’entità dei vantaggi derivanti dall’impiego degli elettrodi senza contatto rispetto a quelli tradizionali.

Innovazioni nel campo dell'ElettroEncefalografia

Il funzionamento del cervello umano, organo responsabile di ogni nostra azione e pensiero, è sempre stato di grande interesse per la ricerca scientifica. Dopo aver compreso lo sviluppo dei potenziali elettrici da parte di nuclei neuronali in risposta a stimoli, si è riusciti a graficare il loro andamento con l'avvento dell'ElettroEncefaloGrafia (EEG). Tale tecnologia è entrata a far parte degli esami di routine per la ricerca di neuropsicologia e di interesse clinico, poiché permette di diagnosticare e discriminare i vari tipi di epilessia, la presenza di traumi cranici e altre patologie del sistema nervoso centrale. Purtroppo presenta svariati difetti: il segnale è affetto da disturbi e richiede un'adeguata elaborazione tramite filtraggio e amplificazione, rimanendo comunque sensibile a disomogeneità dei tessuti biologici e rendendo difficoltoso il riconoscimento delle sorgenti del segnale che si sono attivate durante l'esame (il cosiddetto problema inverso). Negli ultimi decenni la ricerca ha portato allo sviluppo di nuove tecniche d'indagine, di particolare interesse sono la ElettroEncefaloGrafia ad Alta Risoluzione (HREEG) e la MagnetoEncefaloGrafia (MEG). L'HREEG impiega un maggior numero di elettrodi (fino a 256) e l'appoggio di accurati modelli matematici per approssimare la distribuzione di potenziale elettrico sulla cute del soggetto, garantendo una migliore risoluzione spaziale e maggior sicurezza nel riscontro delle sorgenti neuronali. Il progresso nel campo dei superconduttori ha reso possibile lo sviluppo della MEG, che è in grado di registrare i deboli campi magnetici prodotti dai segnali elettrici corticali, dando informazioni immuni dalle disomogeneità dei tessuti e andando ad affiancare l'EEG nella ricerca scientifica. Queste nuove tecnologie hanno aperto nuovi campi di sviluppo, più importante la possibilità di comandare protesi e dispositivi tramite sforzo mentale (Brain Computer Interface). Il futuro lascia ben sperare per ulteriori innovazioni.