A comparison of recording modalities of P300 event-related potentials (ERP) for brain-computer interface (BCI) paradigm

SummaryAims of the studyA brain-computer interface aims at restoring communication and control in severely disabled people by identification and classification of EEG features such as event-related potentials (ERPs). The aim of this study is to compare different modalities of EEG recording for extraction of ERPs. The first comparison evaluates the performance of six disc electrodes with that of the EMOTIV headset, while the second evaluates three different electrode types (disc, needle, and large squared electrode).Material and methodsTen healthy volunteers gave informed consent and were randomized to try the traditional EEG system (six disc electrodes with gel and skin preparation) or the EMOTIV Headset first. Together with the six disc electrodes, a needle and a square electrode of larger surface were simultaneously recording near lead Cz. Each modality was evaluated over three sessions of auditory P300 separated by one hour.ResultsNo statically significant effect was found for the electrode type, nor was the interaction between electrode type and session number. There was no statistically significant difference of performance between the EMOTIV and the six traditional EEG disc electrodes, although there was a trend showing worse performance of the EMOTIV headset. However, the modality-session interaction was highly significant (P < 0.001) showing that, while the performance of the six disc electrodes stay constant over sessions, the performance of the EMOTIV headset drops dramatically between 2 and 3 h of use. Finally, the evaluation of comfort by participants revealed an increasing discomfort with the EMOTIV headset starting with the second hour of use.ConclusionOur study does not recommend the use of one modality over another based on performance but suggests the choice should be made on more practical considerations such as the expected length of use, the availability of skilled labor for system setup and above all, the patient comfort.

RésuméObjectifs de l’étudeLes interfaces cerveau-ordinateur ont pour vocation la restauration de la communication et du contrôle chez les patients lourdement handicapés, via l’utilisation de caractéristiques EEG telles que les potentiels évoqués (PE). L’objectif de cette étude est la comparaison de différentes modalités d’enregistrement du signal EEG pour l’extraction des PE. Une première comparaison évalue la performance de six électrodes cupules avec celle d’un casque EMOTIV, tandis qu’une seconde compare trois différents types d’électrodes (cupules, aiguilles et carrés de surface plus large).Matériels et méthodesDix volontaires sains ont donné leur consentement éclairé avant d’être randomisés pour essayer en premier, soit le système EEG traditionnel (six électrodes cupules avec gel et préparation de la peau), soit le casque EMOTIV. Avec les six électrodes cupules, une aiguille et une électrode carrée de surface plus importante ont été utilisées près de Cz pour enregistrer simultanément l’activité EEG. Chaque modalité a été évaluée lors de trois sessions séparées d’une heure.RésultatsAucune différence statistiquement significative n’a été trouvée, ni pour le type d’électrode, ni pour l’interaction entre le type d’électrode et la session. Il n’y a pas de différence significative entre le casque EMOTIV et les six électrodes traditionnelles bien que la tendance montre de moindres performances pour le casque. L’interaction modalité-session s’est cependant révélée fortement significative (p < 0,001) ce qui s’explique par une baisse des performances du casque EMOTIV entre la seconde et troisième heure d’utilisation. Enfin, l’évaluation du confort par les participants révèle une gêne importante associée à l’utilisation du casque EMOTIV à partir de la seconde heure d’utilisation.ConclusionNotre étude ne recommande pas l’utilisation d’une technique plutôt qu’une autre sur la base seule des performances mais suggère plutôt que ce choix soit dirigé par des considérations plus pratiques telles que durée attendue d’utilisation, disponibilité de personnel qualifié pour l’installation du système et surtout, le confort du patient.