Sviluppo e test di un sistema BCI SSVEP-based

Una Brain Computer Interface (BCI) è un dispositivo che permette la misura e l’utilizzo di segnali cerebrali al fine di comandare software e/o periferiche di vario tipo, da semplici videogiochi a complesse protesi robotizzate. Tra i segnali attualmente più utilizzati vi sono i Potenziali Evocati Visivi Steady State (SSVEP), variazioni ritmiche di potenziale elettrico registrabili sulla corteccia visiva primaria con un elettroencefalogramma (EEG) non invasivo; essi sono evocabili attraverso una stimolazione luminosa periodica, e sono caratterizzati da una frequenza di oscillazione pari a quella di stimolazione. Avendo un rapporto segnale rumore (SNR) particolarmente favorevole ed una caratteristica facilmente studiabile, gli SSVEP sono alla base delle più veloci ed immediate BCI attualmente disponibili. All’utente vengono proposte una serie di scelte ciascuna associata ad una stimolazione visiva a diversa frequenza, fra le quali la selezionata si ripresenterà nelle caratteristiche del suo tracciato EEG estratto in tempo reale. L’obiettivo della tesi svolta è stato realizzare un sistema integrato, sviluppato in LabView che implementasse il paradigma BCI SSVEP-based appena descritto, consentendo di: 1. Configurare la generazione di due stimoli luminosi attraverso l’utilizzo di LED esterni; 2. Sincronizzare l’acquisizione del segnale EEG con tale stimolazione; 3. Estrarre features (attributi caratteristici di ciascuna classe) dal suddetto segnale ed utilizzarle per addestrare un classificatore SVM; 4. Utilizzare il classificatore per realizzare un’interfaccia BCI realtime con feedback per l’utente. Il sistema è stato progettato con alcune delle tecniche più avanzate per l’elaborazione spaziale e temporale del segnale ed il suo funzionamento è stato testato su 4 soggetti sani e comparato alle più moderne BCI SSVEP-based confrontabili rinvenute in letteratura.

Uma cidade para pessoas: funcionalidade, racionalidade e emotividade nas relações mobiliário urbano, espaço público e cidadãos

This research investigates how functionality, rationality, and emotionality applied to urban furniture design contribute to the organization, legibility, and qualification of public spaces, according to different layouts, physical and visual qualities of the urban furniture as well as the quality of urban infrastructure that may influence the uses and appropriation of urban spaces by pedestrians, turning those spaces into socially centripetal or centrifugal places. The work consists of two parts. First refers to a bibliographical review concerning two main issues of the investigation: product design and legibility of public space, defining the conceptual and theoretical bases, linked to methodological strategies aimed at systemic planning and integrated management of urban furniture design and legibility of public spaces (sidewalks), that are necessary to define the existing relationships among the user s interface (pedestrians); product (urban artifacts); built environment (sidewalks). The second part refers to the achievement of empirical approach throughout visual analysis of public spaces and the functional and qualitative evaluation of the existing urban furniture in the central neighborhood of Cidade Alta, Natal, RN, according to the theoretical researched concepts and methodological procedures. The results expose the weaknesses and levels of intensity arising from the relations among public space, urban furniture, and users, revealing the need for theoretical and practical approaches which would help the decision-making in planning, designing and integrating innovative, sustainable, and ethical solutions in order to design attractive public spaces that could provide sociability and citizenship throughout integrated public management, city systemic thinking and urban identity. The suggested guidelines at the end of this research will provide the necessary strategies to design suitable urban furniture systems according to aesthetic and practical urban infrastructure and city context, aiming to ease visual and physical conflicts that may negatively interfere with the appropriation of public spaces by the citizens

Using electroencephalography signals to control acoustical processing

Current hearing-assistive technology performs poorly in noisy multi-talker conditions. The goal of this thesis was to establish the feasibility of using EEG to guide acoustic processing in such conditions. To attain this goal, this research developed a model via the constructive research method, relying on literature review. Several approaches have revealed improvements in the performance of hearing-assistive devices under multi-talker conditions, namely beamforming spatial filtering, model-based sparse coding shrinkage, and onset enhancement of the speech signal. Prior research has shown that electroencephalography (EEG) signals contain information that concerns whether the person is actively listening, what the listener is listening to, and where the attended sound source is. This thesis constructed a model for using EEG information to control beamforming, model-based sparse coding shrinkage, and onset enhancement of the speech signal. The purpose of this model is to propose a framework for using EEG signals to control sound processing to select a single talker in a noisy environment containing multiple talkers speaking simultaneously. On a theoretical level, the model showed that EEG can control acoustical processing. An analysis of the model identified a requirement for real-time processing and that the model inherits the computationally intensive properties of acoustical processing, although the model itself is low complexity placing a relatively small load on computational resources. A research priority is to develop a prototype that controls hearing-assistive devices with EEG. This thesis concludes highlighting challenges for future research.

Análise de sinais cerebrais utilizando árvores de decisão

Este trabalho propõe um estudo de sinais cerebrais aplicados em sistemas BCI (Brain-Computer Interface - Interfaces Cérebro Computador), através do uso de Árvores de Decisão e da análise dessas árvores com base nas Neurociências. Para realizar o tratamento dos dados são necessárias 5 fases: aquisição de dados, pré-processamento, extração de características, classificação e validação. Neste trabalho, todas as fases são contempladas. Contudo, enfatiza-se as fases de classificação e de validação. Na classificação utiliza-se a técnica de Inteligência Artificial denominada Árvores de Decisão. Essa técnica é reconhecida na literatura como uma das formas mais simples e bem sucedidas de algoritmos de aprendizagem. Já a fase de validação é realizada nos estudos baseados na Neurociência, que é um conjunto das disciplinas que estudam o sistema nervoso, sua estrutura, seu desenvolvimento, funcionamento, evolução, relação com o comportamento e a mente, e também suas alterações. Os resultados obtidos neste trabalho são promissores, mesmo sendo iniciais, visto que podem melhor explicar, com a utilização de uma forma automática, alguns processos cerebrais.

Adquisición y análisis de señales cerebrales utilizando el dispositivo MindWave

La actividad cerebral puede ser monitoreada mediante la electroencefalografía y utilizada como un indicador bioeléctrico. Este articulo muestra como un dispositivo de bajo costo y fácil acceso puede utilizarse para el desarrollo de aplicaciones basadas en interfaces cerebro-computador (BCI). Los resultados obtenidos muestran que el dispositivo MindWave puede efectivamente utilizarse para la adquisición de señales relacionadas a la actividad cerebral en diversas actividades cerebrales bajo la influencia de diversos estímulos. Se propone además el uso de la transformada Wavelet para el acondicionamiento de las señales EEG con el objetivo de utilizar algoritmos de inteligencia artificial y técnicas de reconocimiento de patrones para distinguir respuestas cerebrales.

Uma cidade para pessoas: funcionalidade, racionalidade e emotividade nas relações mobiliário urbano, espaço público e cidadãos

This research investigates how functionality, rationality, and emotionality applied to urban furniture design contribute to the organization, legibility, and qualification of public spaces, according to different layouts, physical and visual qualities of the urban furniture as well as the quality of urban infrastructure that may influence the uses and appropriation of urban spaces by pedestrians, turning those spaces into socially centripetal or centrifugal places. The work consists of two parts. First refers to a bibliographical review concerning two main issues of the investigation: product design and legibility of public space, defining the conceptual and theoretical bases, linked to methodological strategies aimed at systemic planning and integrated management of urban furniture design and legibility of public spaces (sidewalks), that are necessary to define the existing relationships among the user s interface (pedestrians); product (urban artifacts); built environment (sidewalks). The second part refers to the achievement of empirical approach throughout visual analysis of public spaces and the functional and qualitative evaluation of the existing urban furniture in the central neighborhood of Cidade Alta, Natal, RN, according to the theoretical researched concepts and methodological procedures. The results expose the weaknesses and levels of intensity arising from the relations among public space, urban furniture, and users, revealing the need for theoretical and practical approaches which would help the decision-making in planning, designing and integrating innovative, sustainable, and ethical solutions in order to design attractive public spaces that could provide sociability and citizenship throughout integrated public management, city systemic thinking and urban identity. The suggested guidelines at the end of this research will provide the necessary strategies to design suitable urban furniture systems according to aesthetic and practical urban infrastructure and city context, aiming to ease visual and physical conflicts that may negatively interfere with the appropriation of public spaces by the citizens

Sviluppo di un sistema per gestire e partizionare segnali neurali

La Brain Computer Interface, con l’acronimo BCI, è un mezzo per la comunicazione tra cervello e macchina. La comunicazione si basa sulla emanazione di segnali elettrici del cervello che vengono rilevati da un dispositivo, il quale invia i segnali digitalizzati ad un elaboratore. I segnali elettrici, chiamati EEG, permettono al cervello di regolare la comunicazione tra le diverse cellule neurali. La BCI intercetta questi segnali e, previa elaborazione, permette di ottenere diversi diagrammi, detti metriche, per poter misurare, sotto svariati aspetti, il funzionamento del cervello. Le ricerche scientifiche sulle EEG hanno rilevato una correlazione tra i segnali elettrici nel cervello di un soggetto con il suo livello di performance e stato emotivo. È quindi possibile comprendere, tramite una serie di parametri, come la mente dei soggetti reagisce a stimoli esterni di svariata tipologia durante lo svolgimento di un’attività. L’elaboratore, che riceve il segnale dalla BCI, è il componente che si occupa di trasformare i segnali elettrici, generati dal cervello e digitalizzati, in risultati facilmente interpretabili dall’utente. Elaborare i segnali EEG in tempo reale porta a dover utilizzare algoritmi creati appositamente per questo scopo e specifici perle metriche preposte. Lo scopo di questa tesi è quello di presentare un progetto sullo sviluppo della fase di smistamento dei dati ricevuti dall’elaboratore. Nel contempo si fornirà una conoscenza scientifica minima per comprendere le scelte fatte. Tale progetto è stato reso possibile dalla collaborazione con l’azienda Vibre, che si dedica allo sviluppo di un sistema comprendente BCI ed elaboratore.

Analisi e utilizzo di tecniche di stimolazione epidurale per il ripristino dell’attività locomotoria in soggetti con lesioni spinali

La lesione del midollo spinale (LM) è una complessa condizione fisica che racchiude in sé sfide di carattere biomedico nonché etico-giuridico. La complessità della LM nonché la diversificazione delle esperienze dei singoli soggetti affetti da LM rendono questo un topic di grande interesse per la ricerca biomedicale, in relazione a nuovi metodi di cura e di riabilitazione dei soggetti. In particolare, la sinergia tra i saperi medico, informatici e ingegneristici ha permesso di sviluppare nuove tecnologie di comunicazione e di controllo neurologico e motorio che, capaci di sopperire a deficit cerebrali e/o motori causati da LM, consentono ai pazienti di avere una qualità di vita sensibilmente migliore, anche in termini di autonomia. Tra queste nuove tecnologie assistive primeggiano per efficacia e frequenza di utilizzo le Brain Computer Interfaces (BCI), strumenti ingegneristici che, attraverso la misurazione e l’analisi di segnali provenienti dall’attività cerebrale, traducono il segnale registrato in specifici comandi, rappresentando per l’utente con LM un canale di comunicazione con l’ambiente esterno, alternativo alle normali vie neurali. In questo elaborato l’analisi di due sperimentazioni, una su scimmia l’altra su uomo, entrambi affetti da LM, con differenti sistemi di monitoraggio dell’attività neurale, ha permesso di evidenziare un limite della ricerca sul topic: nonostante i promettenti risultati ottenuti su primati non umani, il carattere invasivo del sistema BCI–EES rende difficile traslare la sperimentazione su uomo. La sperimentazione su LM pone delle sfide anche dal punto di vista etico: sebbene siano auspicati lo sviluppo e l’applicazione di metodi alternativi alla sperimentazione animale, l’impiego di primati non umani appare ancora una scelta obbligata nel campo della ricerca di soluzioni terapeutiche finalizzate al ripristino della funzione locomotoria, per via della stretta affinità in termini di conformazione fisica, genetica e anatomica.

Automated UI testing. WBCT, a computer-automated user test environment tool.

Today, the user experience and usability in software application are becoming a major design issue due to the adaptation of many processes using new technologies. Therefore, the study of the user experience and usability might be included in every software development project and, thus, they should be tested to get traceable results. As a result of different testing methods to evaluate the concepts, a non-expert on the topic might have doubts on which option he/she should opt for and how to interpret the outcomes of the process. This work aims to create a process to ease the whole testing methodology based on the process created by Seffah et al. and a supporting software tool to follow the procedure of these testing methods for the user experience and usability.

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

VLC-based light-weight portable user interface for in-house applications.

Advances in solid-state lighting have overcome common limitations on optical wireless such as power needs due to light dispersion. It's been recently proposed the modification of lamp's drivers to take advantages of its switching behaviour to include data links maintaining the illumination control they provide. In this paper, a remote access application using visible light communications is presented that provides wireless access to a remote computer using a touchscreen as user interface

Graphical User Interface (GUI) for the representation of GM surfaces (using the NRTL model) and curves, including tie-lines and Hessian matrix

A single and very easy to use Graphical User Interface (GUI- MATLAB) based on the topological information contained in the Gibbs energy of mixing function has been developed as a friendly tool to check the coherence of NRTL parameters obtained in a correlation data procedure. Thus, the analysis of the GM/RT surface, the GM/RT for the binaries and the GM/RT in planes containing the tie lines should be necessary to validate the obtained parameters for the different models for correlating phase equlibrium data.

Effective affective user interface design in games

It is proposed that games, which are designed to generate positive affect, are most successful when they facilitate flow (Csikszentmihalyi 1992). Flow is a state of concentration, deep enjoyment, and total absorption in an activity. The study of games, and a resulting understanding of flow in games can inform the design of non-leisure software for positive affect. The paper considers the ways in which computer games contravene Nielsen's guidelines for heuristic evaluation ( Nielsen and Molich 1990) and how these contraventions impact on flow. The paper also explores the implications for research that stem from the differences between games played on a personal computer and games played on a dedicated console. This research takes important initial steps towards de. ning how flow in computer games can inform affective design.