On appelle brain-switch (BS) un type particulier d’ICM qui remplit une fonction d’in- terrupteur. Plus particuli`erement, un BS est une ICM asynchrone assurant une tˆache de d´etection d’une activit´e c´er´ebrale sp´ecifique parmi un flux continu d’activit´e c´er´ebrale non sp´ecifique. Un BS poss`ede principalement deux usages :
1. D´eclencher la r´ealisation d’une action ´el´ementaire, par exemple allumer une lumi`ere ou fermer une main robotis´ee [87].
2. Signifier `a la machine que l’utilisateur souhaite interagir avec elle. Dans ce cas, le BS est bien souvent coupl´e avec un autre type d’ICM et il est un pr´ealable `a son enclenchement. On parle alors d’ICM hybride [90]. On pourra par exemple utiliser un BS pour activer ou d´esactiver une ICM synchrone fond´ee sur des potentiels ´evoqu´es SSVEP, cette derni`ere permettant de commander les diff´erents mouvements d’une orth`ese [95].
Historiquement introduit par Birch et Mason [80] en 2000 sous le nom de Low Frequency Asynchroneous Switch Design (LF-ASD) car fond´e sur des caract´eristiques basse-fr´equence (dans la bande 1-4 Hz), le BS a suivi un certain nombre de d´eveloppements de la part de la mˆeme ´equipe les ann´ees suivantes [17, 133, 20]. Le d´eveloppement du BS observe un regain d’activit´e `a la fin des ann´ees 2000 quand il est repris par l’´equipe du professeur Pfurtscheller [94, 95, 95, 88]. Ne permettant de r´ealiser qu’une seule action, le BS semble moins attractif que les ICMs synchrones `a un ou deux degr´es de libert´e, ce qui explique le relatif d´esint´erˆet qu’il a suscit´e au milieu de la pr´ec´edente d´ecennie. En r´ealit´e, le BS est le premier pas vers une ICM utilisable dans la vie r´eelle car il traite de mani`ere ´el´ementaire la probl´ematique des interfaces purement asynchrones. Ainsi il fait aujourd’hui l’objet de plus en plus de r´ealisations.
Minimisation du taux de faux positif. Comme tout autre type d’ICM, le nombre
de faux positif (FP - d´eclenchement involontaire de l’interrupteur) doit ˆetre minimis´e. En particulier dans le cadre des ICMs hybrides, le nombre de FP est le facteur dominant dans l’optimisation des param`etres de l’ICM. Il doit ˆetre maintenu le plus faible possi- ble, bien souvent au d´etriment de la r´eactivit´e de l’ICM. Ainsi dans [27] la spectroscopie proche infrarouge est utilis´ee pour r´ealiser un BS `a partir de la r´eponse h´emodynamique
cons´ecutive `a une tˆache d’imagerie motrice. Cette modalit´e ´etant peu sensible aux pertur-
bations ´electromagn´etiques ou aux artefacts musculaires, la robustesse du BS s’en trouve
7.3. BRAIN-SWITCH : ´ETAT DE L’ART 115 au sujet de r´ep´eter cons´ecutivement des mouvements imagin´es et en moyennant les r´eponses
ERD/ERS correspondantes. Un seuil ´elev´e est calcul´e `a partir d’une courbe ROC afin de
garantir un nombre de FP tr`es faible. En contrepartie, le temps n´ecessaire `a l’activation
du BS est relativement long, entre 10 et 20 secondes. L’´equipe de G.E. Birch consid`ere que le taux de FP ne doit pas exc´eder 1% si l’on souhaite utiliser un BS dans une application
r´eelle. Ce but est atteint dans leurs derniers d´eveloppements grˆace `a une proc´edure com-
plexe comprenant de la s´election de caract´eristiques et une combinaison de classifieur SVM, dont les param`etres sont optimis´es par un algorithme g´en´etique hybride [34]. En revanche, un temps d’activation trop long peut ˆetre incompatible avec certaines applications, il y a
donc un compromis `a trouver entre ce taux maximal de FP et les difficult´es d’activation du
BS.
Principes physiologiques utilis´es. R´ealiser un BS c’est avant tout ˆetre capable de
d´etecter de mani`ere asynchrone l’occurrence d’une activit´e sp´ecifique parmi un flux continu de signaux EEG. Contrairement aux autres types d’ICM, on ne dispose pas d’une indication temporelle (mˆeme approximative) sur le commencement de la tˆache mentale. De mˆeme, il est g´en´eralement plus facile de discriminer une tˆache mentale caract´eristique par rapport `
a une autre que de la discriminer par rapport `a une activit´e non sp´ecifique. Il faut donc
choisir une tˆache mentale qui soit reconnaissable par rapport `a une activit´e quelconque.
De plus, il est n´ecessaire que l’activit´e g´en´er´ee soit ind´ependante de la plupart des autres activit´es. Ainsi les principales r´ealisations de BS se basent sur des principes physiologiques bien connus et particuli`erement caract´eristiques. Dans [80], la tˆache mentale utilis´ee est g´en´er´ee par l’interm´ediaire d’une flexion particuli`ere, et peu usuelle, de l’index. Un jeu de caract´eristiques est extrait `a partir de la bande 1-4 Hz des signaux issus de 6 paires d’´electrodes plac´ees entre le cortex frontal et le cortex moteur. Dans [94], c’est le rebond (augmentation de puissance) de puissance dans la bande Beta cons´ecutif `a une flexion imagin´ee des deux pieds qui est utilis´e pour d´eclencher l’interrupteur.
Une mise en œuvre simple. Un BS est en g´en´eral un syst`eme simple `a mettre en œuvre. Dans la majorit´e des cas, le nombre d’´electrodes est inf´erieur `a la dizaine. Quand la d´etection se base sur le rebond Beta ou les ERD/ERS, un simple filtrage spatial laplacien est utilis´e pour obtenir un seul signal `a partir des 5 ´electrodes plac´ees au dessus de la zone motrice vis´ee [88]. Il est ainsi ais´e de coupler le BS avec un autre type de BCI ou une autre modalit´e. L’apprentissage est ´egalement relativement court car il est n´ecessaire de ne caract´eriser qu’une seule tˆache mentale.
Exemple de r´ealisations. Les exemples de commande d’actions ´el´ementaires sont peu
nombreux, car disposer d’une seule commande est g´en´eralement trop limitant pour nombre d’applications. Dans [87], la d´etection asynchrone de l’imagination d’un mouvement de la main gauche d´eclenche l’ouverture ou la fermeture d’une main artificielle. Dans [86], le probl`eme du nombre de commandes disponibles est contourn´e en codant dans la dur´ee d’activation du BS deux commandes diff´erentes, `a la mani`ere d’un signal PWM (Pulse- width modulation). A partir du signal issu d’un groupe d’´electrode (avec filtrage spatial Laplacien) au-dessus d’une zone motrice (C3, C4 ou Cz), l’utilisateur peut contrˆoler `a la fois l’ouverture/fermeture d’une main en r´ealisant une tˆache d’imagerie motrice pendant
un temps court (2≤ t ≤ 5 s), et la flexion extension d’un bras en r´ealisant la mˆeme tˆache
pendant un temps long (t ≥ 5 s). Dans le cadre des ICM hybrides, le but principal est
de minimiser le taux de FP en d´esactivant l’ICM la moins robuste quand l’utilisateur n’a pas l’intention de s’en servir. Ainsi dans [95] un BS fond´e sur de l’imagerie motrice permet d’enclencher une ICM de type SSVEP pour contrˆoler une orth`ese. L’utilisateur souhaitant initier un mouvement de l’orth`ese enclenche une premi`ere fois le BS, il va ensuite choisir le type de mouvement en portant son regard sur une des deux LED plac´ees sur l’orth`ese et
clignotant `a des fr´equences de 8 et 13 Hz. Une fois le mouvement termin´e, il enclenchera une fois encore le BS ce qui d´esactivera l’ICM par SSVEP. Il est ainsi montr´e que pendant
les p´eriodes de repos o`u l’utilisateur n’a pas d’intention de contrˆole, le nombre de FP est
pass´e de 5.4/minutes `a 1.46/minutes grˆace `a l’introduction du BS. Une exp´erience similaire
Chapitre 8
Campagne I : Validation de
l’apprentissage adaptatif
8.1
Paradigme
Le paradigme de notre premi`ere exp´erimentation BS est le suivant. L’utilisateur dispose d’une IHM compos´ee principalement de l’affichage sur un ´ecran d’ordinateur d’une barre verticale et d’un seuil comme l’illustre la figure 8.1. L’utilisateur contrˆole la hauteur de la barre verticale, son but ´etant de lui faire d´epasser le seuil pendant un certain temps, ce qui aura pour effet de d´eclencher l’activation du BS. Lorsque l’algorithme d´etecte la r´ealisation de la tˆache mentale, la hauteur de la barre augmente et inversement, la fait baisser lorqu’il ne d´etecte rien. Ainsi, l’utilisateur doit effectuer sa tˆache mentale suffisamment longtemps pour que la barre monte jusqu’`a d´epasser le seuil. On est donc en pr´esence d’une commande `a m´emoire temporelle.
Pour les besoins d’apprentissage des algorithmes qui sont majoritairement supervis´es,
on doit savoir quand l’utilisateur est en train d’effectuer sa tˆache mentale. Puisque que l’on souhaite un paradigme quasiment identique que l’on soit pendant la phase d’apprentissage ou en phase d’utilisation, il n’est pas envisageable que cela soit l’ordinateur qui dicte quand l’utilisateur doit r´ealiser sa tˆache mentale comme c’est le cas pour les paradigmes cue-based. Le choix s’est naturellement port´e vers un paradigme asynchrone (self-paced ). L’utilisateur signifie donc `a la machine le d´ebut de sa tˆache mentale en appuyant sur une touche du clavier. L’utilisateur garde ainsi le contrˆole sur le timing de son apprentissage et le passage `a l’utilisation r´eelle est transparente, l’utilisateur n’a simplement plus besoin d’appuyer sur le clavier. En revanche, cela peut introduire des artefacts et des tˆaches mentales parasites et concurrentes `a la tˆache mentale principale dans les signaux.