Brain-Computer Interfaces 2: Technology and Applications

368 Pages·2016·10.126 MB·English

by  Maureen Clerc, Laurent Bougrain, Fabien Lotte

Brain–Computer Interfaces 2

Series Editor
Maureen Clerc
Brain–Computer Interfaces 2

Technology and Applications

Edited by

Maureen Clerc
Laurent Bougrain
Fabien Lotte
First published 2016 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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© ISTE Ltd 2016
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British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-84821-963-2
Contents
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
JoséDEL R. MILLÁN
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
Maureen CLERC,Laurent BOUGRAIN andFabienLOTTE
Part 1. Fields of Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapter 1. Brain–Computer Interfaces in Disorders of
Consciousness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Jérémie MATTOUT,Jacques LUAUTÉ,Julien JUNG and
Dominique MORLET
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.Alteredstatesofconsciousness: etiologiesandclinical
features. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1.Fromcomatoawakening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2.Theimportanceofdifferentialdiagnosis . . . . . . . . . . . 5
1.3.Functionalassessmentofpatientswithalteredstatesof
consciousness(passiveparadigms) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1.Prognosisofcomaoutcome . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2.Functionalpatternsinpostcomastates . . . . . . . . . . . . 9
1.4.Advancedapproachestoassessingconsciousness(active
paradigms) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.Towardthereal-timeuseoffunctionalmarkers. . . . . . . . . . 15
1.5.1.Real-timeapproachestocommunication . . . . . . . . . . . 16
vi Brain–ComputerInterfaces2
1.5.2.ThebenefitofBCIsindisordersofconsciousnessfor
purposesotherthancommunication . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.Conclusionandfutureoutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Chapter 2. Medical Applications: Neuroprostheses and
Neurorehabilitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Laurent BOUGRAIN
2.1.Motordeficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.1.Brainmotordeficiencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.2.Neuromuscularmotordeficiencies . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3.Neurodegenerativemotordeficiencies . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.4.Medullarymotordeficiencies. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.5.Osteoarticularmotordeficiencies . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.Compensatingformotordeficiency . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1.Neuroprostheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.2.Neurorehabilitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Chapter 3. Medical Applications of BCIs for Patient
Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
François CABESTAING andLouis MAYAUD
3.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.1.Augmentativeandalternativecommunication . . . . . . . . 44
3.1.2.Logicalandsemanticcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3.BCIsdedicatedtoAAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.4.EstimatingtheperformanceofBCIsdedicatedtoAAC . . . 47
3.2.Reactiveinterfacesforcommunication . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1.Visualinterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2.Auditorystimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.Activeinterfacesforcommunication . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3.1.Thoughttranslationdevice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3.2.BrainTreeinterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Contents vii
Chapter 4. BrainTV: Revealing the Neural Bases of Human
Cognition in Real Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Jean-Philippe LACHAUX
4.1.Introductionandmotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.Towardfirstpersondataaccounting . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3. Bringing subjective and objective data into the same space:
consciousexperienceofthesubject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.4.Technicalaspects: thecontributionofbrain–computerinterfaces 70
4.5.TheBrainTVsystemanditsapplications . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.1.ApplicationofBrainTVinfundamentalresearch . . . . . . 76
4.5.2.BrainTVclinicalapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.6.BrainTVlimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.7.Extensiontoothertypesofrecordings . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.8.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.9.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Chapter 5. BCIs and Video Games: State of the Art with the
OpenViBE2 Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Anatole LÉCUYER
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.VideogameprototypescontrolledbyBCI . . . . . . . . . . . . 88
5.2.1.Videogamebasedontheimaginationofmovement . . . . . 88
5.2.2.VideogamebasedonP300potential . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.3.VideogamebasedonSSVEPpotential . . . . . . . . . . . . 91
5.2.4.Videogamebasedonconcentration/relaxationtasks. . . . . 91
5.3. Industrial prototypes: the potential for very different kinds of
games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3.1.Classicalgamesforentertainmentor“casualgames” . . . . 93
5.3.2.Brain-traininggamesor“BrainTrainers” . . . . . . . . . . . 94
5.3.3.“Seriousgames” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4.Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
viii Brain–ComputerInterfaces2
Part 2. Practical Aspects of BCI Implementation . . . . . . . . . 101
Chapter 6. Analysis of Patient Need for Brain–Computer
Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Louis MAYAUD,Salvador CABANILLES andEric AZABOU
6.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1.1.Patientgroups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.2.Existinginterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.Typesofusers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2.1.Patientneeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.2.Carers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.InterpretationofneedsinBCIusagecontexts. . . . . . . . . . . 113
6.3.1.Physicalinterfacesforreadingbrainactivity . . . . . . . . . 114
6.3.2.Analysisofbrainactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3.3.Applicationsanduserinterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.5.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Chapter 7. Sensors: Theory and Innovation . . . . . . . . . . . . 123
Jean-Michel BADIER,Thomas LONJARET andPierre LELEUX
7.1.EEGelectrodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1.1.Electrochemicalmodeloftheelectrode . . . . . . . . . . . . 125
7.1.2.Electrodesinelectrophysiology . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.1.3.Characterizationofelectrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.1.4.EEGelectrodematricesandheadsets . . . . . . . . . . . . . 127
7.2.Invasiverecording . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.1.Theneedforinvasiverecordingtechniques . . . . . . . . . . 128
7.2.2.Electrocorticography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.3.Stereoelectroencephalography . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.3.Latestgenerationsensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.1.Innovativesubstratematerials . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.3.2.Interfacematerials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.3.3.Interfacetopography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3.4.Activesensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.4.Magnetoencephalography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.4.1.Thesourceofthesignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.4.2.Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.5.Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.6.Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140