A brain-computer interface (BCI) records and translates brain activity into digital commands. It works as a gateway between the human brain and external devices, enabling users to communicate or control environments solely with thoughts. Although it has been proven in many previous studies that BCIs can successfully interpret the users’ intentions from their neural activities acquired with electroencephalogram (EEG) with high accuracy in a wide range of applications, BCIs can be constrained by their paradigm and EEG acquisition methods which makes them unsuitable for daily life. Conventional EEG acquisition methods exhibit poor wearability, require long equipment preparation time, and can be a distraction in daily-life activities both physically and socially. This dissertation addresses the problem of the conventional EEG acquisition methods and BCI paradigms and proposes BCI systems for daily life that are based on ear-EEG, the EEG acquisition technique that measures EEG centered around the user’s ears, which is more discreet and has better wearability. We construct a wearable BCI device that utilizes ear-EEG and present ear-EEG as an alternative EEG acquisition method for two BCI paradigms that are suitable for daily life including speech imagery, an imagination of a speech or sound without actually speaking, and affective BCI that monitor a user’s emotional state. This dissertation validates the efficacy of the ear-EEG acquisition method by comparing its performance with the traditional EEG acquisition methods. We also construct an online BCI system for control using the combination of ear-EEG acquisition methods and speech imagery BCI paradigm. The results show that ear-EEG can be effectively used in the proposed BCI systems with its performance on par with the conventional method. We believe that the merits and feasibility of the ear-EEG in the proposed BCI frameworks will accelerate the development of the BCI system for daily-life use.
뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 뇌 활동을 기록하고 디지털 명령으로 변환합니다. 인간의 두뇌와 외부 장치 사이의 관문 역할을 하여 사용자가 생각만으로 환경을 제어하거나 통신할 수 있도록 합니다. 많은 이전 연구에서 BCI가 광범위한 응용 분야에 뇌파도(EEG)로 획득한 신경 활동으로부터 높은 정확도로 사용자의 의도를 성공적으로 해석할 수 있음이 입증되었지만 BCI는 기존 패러다임 및 EEG 획득 방법 때문에 일상 생활에 적용하기에 적합하지 않았습니다. 기존의 EEG 획득 방법은 착용성이 좋지 않고 장비 준비 시간이 오래 걸리며 신체적으로나 사회적으로 일상 생활 활동에 방해가 될 수 있습니다. 본 논문에서는 기존의 EEG 획득 방법과 BCI 패러다임의 문제점을 해결하고 사용자의 귀를 중심으로 뇌파를 측정하는 EEG 획득 기법인 귀-주변 뇌파 (ear-EEG) 를 기반으로 한 일상 생활용 BCI 시스템을 제안합니다. 실제로 말하지 않고 말이나 소리에 대해 상상하는 발화 상상 (speech imagery), 사용자의 감정 상태를 모니터링하는 감정적 BCI (affective BCI) 등 일상 생활에 적합한 두 가지 BCI 패러다임을 ear-EEG로 활용한 착용형 BCI 장치를 구축하고 제시합니다. 이 논문은 기존의 EEG 획득 방법과 성능을 비교하여 ear-EEG 획득 방법의 효율성을 검증합니다. 우리는 또한 ear-EEG 획득 방법과 speech imagery BCI 패러다임의 조합을 사용하여 제어를 위한 온라인 BCI 시스템을 구축합니다. 결과는 ear-EEG가 기존의 방법과 동등한 성능을 가지며 효과적으로 사용될 수 있음을 보여줍니다. 우리가 제안하는 BCI체계에서 ear-EEG의 장점과 실행 가능성이 일상 생활에서 사용하는 BCI 시스템의 개발을 가속화할 것이라고 믿습니다.
