同時頭皮脳波（EEG）、筋電図（EMG）、およびマルチモーダル神経復号化するための全身分節慣性録音

Summary

二足歩行の復旧·復興のための効果的なブレインマシンインターフェイス（BMI）システムの開発では、ユーザーの意図を正確にデコードが必要になります。ここでは、同時、非侵襲的な神経活動の買収、筋活動、様々な運動タスクと状態の間に全身運動のための新たな実験プロトコルとデータ収集技術を提示する。

Abstract

最近の研究では、二足歩行の人間の歩行の制御における脊柱上のネットワークの関与をサポートしています。この証拠の一部は、トレッドミル歩行中の歩行運動と四肢の調整が合理的に高いデコード精度と頭皮脳波（EEG）から推測できることを実証し、我々の前の仕事を含め、研究を包含する。これらの結果は、修復および/またはリハビリテーション研究の歩行 - 第一の目標の増強で使用するための非侵襲的脳マシンインターフェース（BMI）システムの開発のための原動力を提供します。現在までに、歩行時の活動の脳波解読​​を調べる研究は、制御された環境でのトレッドミル歩行に限定されていた。しかし、実質的に実行可能であることがBMIシステムは、歩行と旋回地面上などの日常運動の作業で使用するための適用でなければなりません。ここでは、非侵襲的な脳活動の集合（EEG）、筋活動（筋電図（EMG））のための新規なプロトコルを提示し、Wholおよびタスクを歩行両方トレッドミルの間とグランド経由で電子体運動学的データ（頭、胴、および四肢の軌跡）。収集することにより、制御されていない環境洞察力で、これらのデータはEEG頭皮から歩行と表面筋電図を制約のないコーディングの実現可能性について、得ることができる。

Introduction

このプロトコルは、EMG、EEG同時にを記録するために3つのデータ収集システムを使用し、全身運動（ 図1、表1）。被験者は歩きながら、EEGデータは1,000 Hzでのサンプリング周波数で64チャンネルからワイヤレスで収集されます。前脛骨筋（TA）、腓腹筋（ガスト）、大腿二頭筋（BF）と、外側広筋（VL）：電（EMG）は4筋肉群で両側に配置された表面電極から1,000 Hzで収集されます。キネマティックデータは、歩行時の動きを記録するために頭部、上半身、腰部、腕、太もも、すね、足に取り付けられた11ワイヤレスセンサから128 Hzで収集されます。各センサは三軸磁力計、三軸ジャイロスコープ、および三軸加速度計（ すなわち MARGセンサー）が含まれています。

データは、各システムから収集し、単一のホストPCによって時間的に同期されます。同期は、連続セリを介して送信されるトリガ信号を用いて達成される同時に3つのすべてのデータ·システムによってアクセスら通信リンク。トリガーは、簡単なボタンスイッチとして実装されました。押されていない場合にヌル信号（0）が送信される時にボタンが押されたときにトリガ信号（1）は、ホストPCに送信される。下記のプロトコールに記載されているように、トリガーボタンを押しても、対象のオーディオキューとして使用0.5秒のトーンを引き出す。位置は、後述する実験を歩行時に地面の上にトリガするように赤外線（IR）近接センサ5組を使用するために作製した。 IR信号がトリガ信号を遮断された場合（1）無線周波数（RF）手動トリガ·ボックスとの接続を介してシリアルリンクを介してホストPCに送信される。

カスタムC + +アプリケーション、録画したデータを同期化するために開発された、各システムが提供するソフトウェア開発キット（SDK）を利用する。コー​​ドは、マルチスレッド技術を採用し、各システムからのデータ保存（EEG、EMG、そしてMARGs）のための機能は、個人ラージヒルに含まれていますidualスレッド。ソフトウェアアルゴリズムを図2に示されている。データ収集は、アプリケーションが実行されたときに始まり、 'q'はキーが押されたときに終了する。 5つのスレッドは、アプリケーション実行時に活性化される。一つのスレッド（ 図2）は、シリアル接続からのトリガ信号の値（0または1）を監視します。初期トリガー値はゼロです。トリガを受信したときに（ボタンが押されたり、IRセンサ対の間の視線が壊れているとき、即ち ）グローバルトリガ変数を1に設定される。彼らはデータ収集スレッド内でリセットされるまで、これらの変数は1のまま。

EEGスレッドがリモートTCP / IPプロトコルを使用してリアルタイムで頭皮EEGデータにアクセスします。データは、対応するサンプリング周波数（1,000 Hz）での線で、テキストフ​​ァイルの行に書き込まれる。カラムは2-65 64 EEGチャネルである一方、グローバルEEGトリガー信号が、最初の列に書き込まれる。グローバルEEGトリガ信号が1であった場合、それはゼロにリセットされる。データEEGのスレッドが終了するまで書き込みは継続します。二つの独立したスレッドレコードは、センサデータをマーグ。 11無線MARGセンサが無線伝送に問題が発生した場合にデータの損失を防ぐために、個々のセンサーにデータをバッファリング堅牢なストリーミングモードで製造元のソフトウェアを使用してデータを送信するため、2つのスレッドが必要である。このバッファは、リアルタイムのデータ転送を低下させる。つのセンサは、すべてのセンサー11がそのバッファ内のその時点を保持し、次の利用可能なサンプル点でそれを送信するために与えられたサンプルデータを送信することができない場合。 MARG無線データ転送は必然的にEEG遅れて、データ収集を停止した後従ってマーグセンサはホストPCにオフロードバッファリングされたデータに時間を必要とする。この問題を解決するために、2つのスレッドがMARGデータ収集アルゴリズム（ 図2）に使用される。 EEGスレッドが収集している間、最初のスレッドは、センサーのサンプリング周波数（128 Hz）でグローバルMARGトリガ変数からMARGトリガバッファに移入データ。データ収集は、トリガバッファへの書き込みを停止したときにも終了します。 MARGねじ（ 図2）は、センサからのデータを受信し、EEGデータと同様に、ファイルに書き込み、センサSDKの関数を利用する。つまり、最初の列はグローバルMARGトリガ（MARGトリガバッファから得られる）の値であり、次の99列は11 MARGセンサー（マーグ単位当たり9センサー）からの値です。 MARGトリガ·バッファの時間インデックスがスレッドの実行が終了した時点で、EEGデータの最後の時間インデックスに等しくなるまで。MARGスレッドは、データを書き込む

EEGとMARGデータとは異なり、EMGデータはワイヤレスで記録されません。その代わりに、EMGデータは、データ·ロギングユニット内のSDカードに記録されています。信号は、SDカードへのデータ書き込みを開始および停止するBluetooth接続を介して送信される。まず始めに、マニュアルトリガがEEGスレッドによって受信されたときの書き込みが始まります。データの書き込みは、EEGで停止'q'はボタンが押された糸。

以下のプロトコルは、ヒューストン大学の治験審査委員会で検討し、承認された。すべての被験者は、受信、読み取り、および参加の前に同意書に署名した。

Protocol

1。件名準備

1. 対象者の身長、体重を測定し、自分の年齢を記録します。
2. 快適まで、それらの自己調整トレッドミルの速度を持っていることによって、被験者の優先トレッドミルの速度を評価する。
3. フェルトペンを使って、対象の[後]とイニオン間の中間点として、頭の頂点をマーク。また、キャップを整列させるための基準とイニオン距離に[後の10％をマーク。

2。頭皮脳波（EEG）

1. ¹²のように、対象者に装着EEGキャップを使用して10〜20国際システムによって指定されたEEGの電極を取り付けます。キャップは頭皮上の電極の適切な配置が確保されます。
2. FP1とFp2も電極とマークされた頂点とCzの電極の中間点でステップ1.3から10％のマークを合わせて被写体にEEGキャップを置きます。キャップを配置するための更なる詳細は^、12に見出される。 SEあごの下にストラップでキャップを治す。
3. 脳波コントロールボックスにEEGの電極を接続してください。地面と参照電極から始まる、グリーン回すLED電極によって示されるように25kΩの以下の各施策のインピーダンスまで、各電極で電解質ゲルを注入する小さなシリンジを使用しています。 EEG電極の準備に関する詳細は^、12,13でご利用いただけます。
4. 無線EEGトランスミッタにEEGの電極を接続してください。肩の周囲に配置ベルクロストラップに被写体に送信機を固定し、2つの32チャンネルアンプにワイヤレス脳波受信機を接続。
5. USBコンバータに光ファイバを使用してUSBポート経由でホストPCにアンプを接続します。
6. 0.1 DCへμV、ローカットオフ周波数、高カットオフ周波数EEGデータ収集ソフトウェアで1,000 HzまでにEEGチャンネルの解像度を設定します。

3。表面筋電図（EMG）

1. EMG電極のための準備8筋肉部位での配置は：紙やすりで皮膚、すり減らすを剃ると、イソプロピルアルコールパッドで清掃してください。準備されたサイト上の電極を配置し、ユニットロギングEMGデータに接続します。左または右手首にEMGの接地電極を配置し、データロギングユニットに接続します。

4。モーションキャプチャ

1. 製造元の指示に従って、ドッキングしながらマーグセンサーを同期させます。
2. 表2の場所でベルクロストラップや両面テープを使用して被写体にマーグセンサーと場所を削除します。

5。環境の準備

1. ベルト上の対角線（水平から45°）をテーピングでトレッドミルを準備します。トレッドミルの前には約1mのビデオカメラに接続されているテレビモニターを配置します。テープテレビで2インチ径黒丸と一枚の紙。
2. IR近接センサ、コーン、テレビ秒の5セットを置くことによって、アリーナを歩いてセットアップcreenは、 図3に位置しています。

6。トレッドミル

1. 被験者は、トレッドミル上に上昇する。安全ハーネスを取り付けます。
2. データ収集に先立って、適切な電極配置、電極接続し、データ伝送を検証するEEGおよびEMG信号を調べる。
3. C + +コンソールアプリケーションを実行することにより、データ収集を開始します。 EMG記録を開始し、実験を開始するためにオーディオキュー（ビープ音）を与えるために手動トリ​​ガプッシュボタンを押してください。
4. 対象は30秒間静かなスタンスに留まる。
5. 30秒後には、歩行を開始するトリガボタンを押すと、トレッドミルを徐々に被験者の予め選択された速度まで加速される。
6. 対象は、5分間歩く。
7. 5分の終了時に、徐々にトレッドミルを停止することによって移行を立って歩行を開始するトリガーボタンを押してください。停留所に来た後に被験者は30秒間立っているままです。データ収集トンを停止するには 'Q'ボタンを押してくださいリアルやデータを保存します。
8. 3つのすべてのトレッドミルの条件について、手順6.2から6.7を繰り返します。
9. 遠くに黒い点を見ながらトレッドミル歩行。
10. テレビモニターに自身の足の動きを観察しながら、トレッドミルで歩く。
11. トレッドミル（認知的負荷^6をシミュレートするために）上の対角線を避けるために、ビデオのフィードバックを使用しながら、トレッドミルで歩く。

7。アリーナウォーキング（1）

1. アリーナ歩行ループ（ 図3）の開始時位置の件名。
2. 6.2から6.4のようにデータ収集を開始します。
3. ウォーキング開始するトリガーボタンを押してください。一度トリガが与えられ、第1の方向矢印が（→、←、または↑）主題反対画面（ 図3）に表示されます。 →または←が認められた場合、コーンの入り口セット主題終了すると、その方向に90°になり、入り口コーンにループに戻りを完了します。もし＆UARrは、被写体が赤外線センサーの前に約2メートルに達したときに観察され、被験者は入り口コーンと手動トリガと方向矢印（→または←）からまっすぐに続けが施されています。主題は、IRセンサの最初のセットを介して進行し、対応する90になります°入り口コーンに戻って、ループを完了してください。 （歩行時には、実験者は、無線信号品質を向上させるために車輪カート上のホストPCで約3〜5メートルの距離の被写体に従う。）
4. 彼/彼女がシングルループを完了した後入り口コーンに到達したときに被写体が歩いて続けています。 3ループはそれぞれ初期の矢印を完了するまでのシーケンス7.3を矢印のランダムな順序で繰り返されている（→、←、または↑）。
5. 条件7.4を満足した後、被験者が立っへの移行を通知するために入り口コーンに達し手動トリガーボタンを押してください。対象は、30秒後、静かに立っているデータ収集は、ホストPC上で 'q'はボタンを押して終了する。

8。アリーナウォーキング（2）

1. IRセンサーの5セットは、被験者の前に半円形（ 図4）に配置されるようにアリーナウォーキングコースを並べ替えます。
2. 前臨床試験（7.1から7.2）と同様にデータ収集を開始します。
3. 私はウォーキングアリーナと同様に、歩行開始する手動トリガを与える。トリガーの時間、5方向の矢印のいずれか（←で、→、 、 、または↑）画面に表示される。各矢印はアリーナ（ 図4）の周りに配置されているIRセンサの一組に対応する。
4. 被験者は、画面とワシントンにある矢印を観察IRセンサの対応するセットにLKS、二センサ（ 図4）を通過し、センサを超えたコーンの周りにUターンを作る。出発点にUターン、主題に戻りを行った後、ウォーキング続けています。
5. 3ループが各方向矢印に対して完了するまで、矢印のランダムな順序で、シーケンス8.3から8.4を繰り返します。
6. 被写体が立っへの移行を通知するための出発点に到達したとき、条件8.6を満足した後、手動トリガーボタンを押してください。 7.5のように、データの収集を完了します。

9。スタンドに座る

1. 被写体の後ろに椅子を置き、6.2から6.3のようにデータ収集を開始します。被験者は、データ収集の開始時に15秒間静かに立っている。
2. 15秒後に、手動トリガーボタンを押してください。姿勢を座ってスタンドからキュー主題遷移を聞いた後、次のオーディオキュー（ボタンプッシュ）まで、座った姿勢を保持している。
3. 9.2から9.3を繰り返してまで、10の完全な主題は15秒間静かに立っていた後、スタンドツー座ると座るツースタンド演習が完了している。そして、 'q'はボタンを押すことによってデータ収集を終了する。
4. スタンドツー座ると座るツースタンドトランジション自主放置ツー座るプロトコル（9.1から9.4）を繰り返します。むしろ主題の変遷にトリガを与えるよりも、それぞれの操縦の10が完了するまで、対象者は、転送が自分を所有して開始している。

10。ウォーキング廊下

1. 1/8 ^番目のマイル、まっすぐに廊下の真ん中に位置の件名とデータ収集カート。トレッドミル歩行実験（6.2から6.4）と同様にデータ収集を開始します。最初の30秒の休息期間の後、歩行を開始する手動トリガを与える。
2. subjeCTが5分間連続して歩く。被写体が廊下の終わりを10メートル以内に到達したときに、彼/彼女はUターン自己開始し、反対方向に歩き続けます。
3. 5分の終わりに歩いて停止するように手動トリ​​ガーボタンを押してください。まっすぐ前を見ながら、対象は30秒間静かに立っている。 'q'はボタンを押すことによってデータ収集を終了する。
4. 10.1のように、第二廊下実験を開始します。
5. 歩行のランダムな時間間隔（20〜40秒）した後、対象ストップ歩行を持つように手動トリ​​ガとオーディオキューを与える。
6. 対象は、（5-15秒）短く、ランダムな期間放置されたままになります。
7. 被験者が歩行を再開しているように手動トリ​​ガーボタンを押してください。
8. ストップスタートの10サイクルが完了するまで繰り返します10.5から10.7までのステップを、10.3のように、データの収集を終了します。

Representative Results

図5は 、時間の10秒EEGロック示しMARG、とトレッドミル歩行（プロトコルセクション3）の間に記録されたEMGデータ。各MARGセニョールが実際に9信号（三軸磁力計、ジャイロスコープ、加速度計）を記録だけ垂直加速度を示していることに注意してください。 図5の生データは、事前の分析と神経デコーディングにプリプロセス中に考慮する必要がありアーティファクトが含まれています。 図5の脳波アーチファクトの例としては、約8.5秒であり、全体に存在する低周波モーションアーチファクトに存在する目が点滅しています。

図6はアリーナウォーキング中（1）プロトコルを歩く上地面のつの完全なループ（〜35秒）を示しています。定性的には、タスクを歩く地面の上にアリーナからのデータは、旋回時、被験者の頭と首の付加的な運動による歩行トレッドミルよりもアーティファクトが含まれています。顔面と頭蓋筋活動は参加者をある図6の時間的な電極（チャネルは図1にFTとTというラベルが付いています）にularly目立つ。特に足首アゴニスト-アンタゴニストペアのトレッドミル歩行（ 図5）と比較して、EMG信号活性の増加に注意してください。 図6はまた、イベントが表示されますデータ処理中に考慮する必要があり次善の無線脳波データの収集。 4 ^番目のトリガの直前に、EEGデータは、ホストPCとEEGシステムとの間の無線伝送の中断を指示する、フラットラインを示しています。データのこのセクションでは、データセット全体（EEG MARG、そしてEMG）からトリミングする必要があります。

図7は 、データをスタンドに座るワンサイクルスタンドツー座るとを示しています。移行の終了時に、頭の両方の他のデータ、移動アーチファクトがEEGに存在している、（またはスタンディング）座っているように推移してされると同じように維持されている。 - 歩いてスタンド含む廊下の歩行の一つ間隔NDウォーク·トゥ·スタンド推移を図8に示します。開始および歩行停止するオーディオキューの後にEMGと加速度データのランピングに注意してください。このランピングと一致するには、EEGデータでモーションアーチファクトの出現と消失です。 図8はまた、約7秒で発生する脳波電極PO10で次善の接続を表示します。この動作は、時折実験中に観測されたと思わEEG電極と頭皮間の接触の喪失に起因している。電極PO10は、この試験のためのデータ分析から削除する必要があります。 EEGデータはリアルタイムで観察することができる、とEEG電極の接続は、プロトコル内の各試験の前に（プロトコルステップ6.2）検証されているので、貧しい電極接続前に次の裁判を改善することができます。

名前	会社	量
BrainAmpアンプlifier	脳の製品、社	2
64電極を脳波キャップをactiCAP	脳の製品、社	1
無線EEGシステムをMOVEブレインビジョン	脳の製品、社	1
データログMWX8 EMGデータ収集ユニット	バイオメトリクス株式会社	1
SX230 EMG電極	バイオメトリクス株式会社	8
R506 EMGの接地電極	バイオメトリクス株式会社	1
オパール運動モニタ（MARGセンサ）	APDM株式会社	11
ストリーミングワイヤレスデータのオパールドッキングステーション	APDM株式会社	2
オパールの無線アクセスポイント	APDM株式会社	2
Vellemanの株式会社	5
ウィクセルプログラマブルUSB無線モジュール	Pololuの株式会社	6

表1。機器。

センサー	場所
ヘッド	眉毛上記の額の中心
トランク	胸骨の基部に胸筋の間に
腰部	腰椎カーブの最低でも背中のセンター
アーム1	アームの側面;手首の近位に〜10％肘へ
太もも1	太ももの側面、股関節と膝の間に50％
シャンク1	シャンクの側面、膝から遠位75％
脚注1	を中心とした足の甲
1腕、太もも、すね、足のセンサが両側に配置されます。

表2。MARGセンサーの場所。

図1。サジタル（）と前頭（b）は 、EEG、EMG、およびデータ収集のために慣性センサをマーグを身に着けている被験者の表示。頭皮上の脳波電極位置の（c）の地形表現、EEGlab Matlabのツールボックス¹⁴でプロット。（ホストPC、手動トリガ、EMGブルートゥース、無線アクセスポイントをマーグ、およびEEG無線受信機、増幅器、および電源を含むd）のモバイルデータ収集カート。d/50602/50602fig1large.jpg "ターゲット=" _blank ">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください。

図2。カスタム設計された、マルチスレッドのデータ収集ソフトウェアのアルゴリズムを詳述フローチャート。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。

図3の回路図（鳥瞰図）（1）実験プロトコルを歩いてアリーナの表現。 One矢印被写体が入り口コーンの端にあるとき（→、←、または↑）ディスプレイモニタ上に提示される S。右（→）または左（←）が提示された場合、被験者は、赤外線（IR）センサ4組（IR1-IR4）を通過し、それぞれ、赤または緑のループが続く。 （↑）ストレートが提示されている場合は、対象者は、ディスプレイモニタ（青線）に向かって歩くと、第二の矢印（→または←）被写体が赤外線センサー（IR5）の前に約1メートルのときに提示されます。 IR5センサセットを通過した後、被験者は、出発点に戻って、対応する（赤または緑）の経路に沿ってループを完了します。

図4。アリーナウォーキングの回路図（鳥瞰図）表現（2）実験プロトコル。実験の開始時に、単一の矢印（pload/50602/50602larrhighres.jpg "/>、 、→、←、または↑）ディスプレイモニタ上で被験者に提示されます。始点（に対応するループに受信された矢印をもとにして、被験体は、IRセンサの対応する組に直接歩くセンサを通過し、コーンの周りにUターンを完了し、リターン矢印）の上に表示されます。

図5。トレッドミル歩行の10秒からのサンプルデータ。トップパネルには、10〜20国際大会からチャンネル名を持つ64チャンネル生EEGデータを示しています。真ん中パネルは11 MARGセンサから垂直方向の加速度を示しています。ボトムパネルは、8チャネルの生EMGを示しています。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。

図6。アリーナIプロトコルの間に歩行の1ループ（右矢印パス、図3）からのサンプルデータ。 EEG、加速度、EMGデータは、図5のように示されている。縦黒いバーは、ソフトウェアによって受信されたトリガーの位置である。最初のトリガーは、→矢印を提示することによって、ループを開始する手動プッシュボタンからのものである。次の4つのトリガーは、対象者を横断するループとIRセンサーIR1-IR4（ 図3）からのものである。tp_upload/50602/50602fig6large.jpg "ターゲット=" _blank ">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください。

図7。サンプルトランジションを立つ座るスタンドツー座ってからのデータ。脳波、加速度、EMGデータは、 図5のように提示されます。縦棒が立っていると、それぞれに座って開始するには、手動トリガ（およびオーディオキュー）を示す。 ここをクリック大きい数字を表示する 。

図8。スタンからの遷移を示す廊下の歩行からのサンプルデータ鼎は、歩いて立って歩く。脳波、加速度、EMGデータは、 図5のように表示されます。縦棒は、それぞれ停止ANSD歩行を開始するには、手動トリガとオーディオキューを示します。 大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください 。

Discussion

ここで紹介するプロトコルは、同時に機関車のさまざまなタスク間に脳活動、筋活動、および全身運動を記録するために一緒に3つのデータ収集システムをもたらす。プロトコル全体の完了は、主題の準備の1時間を含め、約3時間かかります。各システムは上に取り付けられ、被検体で移動する。したがって、それぞれの新しい試験の開始前に脳波と筋電図の電極の接続を確認することが重要です。これは簡単にデータをホストPC上でグラフィックインターフェースを用いてリアルタイムで検査することができるようにそれぞれのメーカーによって提供されるソフトウェア·パッケージを使用して行うことができる。データ収集アプリケーションは、これらのソフトウェアパッケージは、検証プロセスを簡素化し、実行する必要があり。さらに、注意がMARGセンサーが確実にそれぞれの裁判の前に被検者に接続されていることを注意しなければならない。

EEGとMARGデータが2.4-2.5 GHzのワイヤレスを介して送信されますスペクトル範囲。他の多くの電子機器は、この周波数帯を使用しているので、実験環境内の無線インタフェースの可能性を検討することが重要である。データ収集の重要な態様は、無線干渉に対するロバスト性を提供し、モバイルカートと被写体の間の視線の可視性です。 EEG無線受信機とマーグアクセスポイント（ 図1）の両方が接続忠実度を示すためにLEDを提供します。ホストPCとEEGとMARGセンサー用無線レシーバは、視力の直接ラインを維持し、被写体が地面の上歩いて無線データ伝送を最大化するために、モバイルカートに配置されます。私たちは、堅牢なデータ収集が最良被写体の5メートル、タスクのいずれかの間に被写体の動きを制限するものではありませんでした距離内の移動カートを保つことによって維持されたが見つかりました。 C + +アプリケーションは、無線cが中断によるデータ損失に対するロバスト性を提供するために、データ収集のための複数のスレッドを用いるEEGのonnection。 EEG接続が失われた場合、マーグとEMGデータがまだ記録されますが、EEGデータは、これらの時点で利用できなくなります。 MARGセンサはEMGデータ部をロギングモバイルデータ内のSDカードに保存されている間に、無線接続時のデータ損失を防ぐために、上述のようにバッファリングユニットに提供する。

歩行時の脳波データの収集と共通の問題は、信号におけるアーチファクトの存在である。実験プロトコルの実行中にそのような電極および/またはケーブルの動きなどの生理点滅含むアーティファクトの発生源、目の動き、顔の筋活動、心拍、機械アーティファクト：大まかに言えば、アーティファクトは2つのグループに分割することができます。アーティファクト除去は継続中の研究の話題であり、独立成分分析^15,16およびチャネルベースのテンプレート回帰手順¹⁷のような技術が含まれています。アーティファクトの最小化と除去は広報の重要なステップです体動の神経復号化のためのデータのeprocessing。ここで紹介する設定は、EEG電極ケーブルにおける先行研究と類似している単一のコネクタにバンドルされていました。これらの研究から得られた結果は、ケーブル揺れや動きによる機械的アーチファクトが神経活動^7,8から運動のデコードに役割を果たしていなかったことを示している。これらの結果は、歩行関連する成果物が歩行速度^17を緩和するのが遅いで実体のないだったと結論付けて、他の研究によってサポートされています。しかし、この実験は座るツースタンド遷移を含む以前の研究よりも、体の多くの運動を必要とする活動中に脳波測定、地面上のため、ウォーキング、、旋回、そして、生の脳波データの慎重な検討が可能性を識別するために行われなければならない機械的なアーティファクトからの汚染。まだ広く利用されていないが、これらの潜在的な問題は、現在のプロトコルに小説、ハードウェアの統合を通じて解決することができます。このようなハードウェア株式会社運動¹⁸時の皮膚電極接触インピーダンスを改善する可能性があるアクティブEEG電極（このプロトコルで使用される）と、バネ式、乾式EEGの電極を、ludes。これらの技術は、モーションアーチファクト¹⁹の影響を低減することができる無線EEGシステムに組み込まれている。小説ハードウェアの統合にもかかわらず、このプロトコルは、体のすべてのセグメントがインストルメント¹⁶されているため運動とEMGアーチファクト除去のための新規アルゴリズムの開発を継続するためのユニークな機会を提供します。私たちは、EEG、EMG、現在利用可能なEEGセットアップに適用できる堅牢なアーティファクト除去パラダイムを開発するために、セグメントの動きの間に時系列相関と周波数領域の一貫性を研究していく予定です​​。当社のデコード方法はアーティファクト^7,8に対するロバスト性を示しているが、これらの方法は、本プロトコルにおいて、より複雑なシナリオの下で検討する。

記録面の特長EMGは、多くの要因に依存していて、神経戦略の研究のための表面筋電図信号の解釈は、その対価^20を必要と^します。このプロトコルで使用される皮膚の準備とEMG電極配置のための厳密な手順は表面筋電図信号に対して非生理学的因子の影響を最小にするように設計された。このプロトコルによって記録されたEMGの振幅と周波数は、純モータユニット活動に関連しているので、記録を所望筋の神経活性の直接的表現として解釈されるべきではない。しかし、表面筋電図信号と神経活性化の相対的変化（運動単位の放電時間を識別するなど ）を決定するために筋活動パターンに貴重な洞察を提供することができEMG信号を分解することによって筋肉に神経ドライブを推定するためのより高度な方法を慎重に検討^20。また、神経復号のコンテキスト内で、脳活動ものの侵襲的に取得された表面筋電図²¹に関する情報が含まれていることが示されているが、それはEEG頭皮も、歩行運動に加えて、歩行時の下肢の筋活動を復号するために使用することができるかどうかを現時点では不明である。私たちは、このプロトコルは、私たちは、非侵襲的脳イメージングモダリティの減少空間分解能は、個々の筋肉に関連する神経活動を分離するのに十分であるかどうかを調べることができるでしょう期待しています。

以前の研究では、脳からの信号を用いた歩行復元するために、脳マシンインターフェース（BMI）の開発のための原動力を提供する^7,8トレッドミル歩行時の運動をデコードするために非侵襲的なEEGを利用しての実現可能性を示している。デルタ帯域EEG信号の振幅変調に基づく時間領域の復号方法はまた、人為的コンポーネント^7,8に鈍感であることが示されている。しかし、トレッドミルの研究では、中にユーザのビジョンとモーション制御された環境で行われるそれによって外部の刺激に起因する神経活動の汚染を制限し、制限されています。無線データロギングの取り込みを通じ、このプロトコルは運動タスクとさまざまな環境中に同期、EEG、EMG、そして運動データの収集を可能にします。モーショントラッキングのための慣性センサの統合は、モーションキャプチャシステムよりも運動を抽出するために多くの計算およびオフライン処理を必要とし、得られた対策が小さい含める-が、許容される-システム²²基づいて、カメラで存在することができないだろう誤差が。これらの扱いの困難は環境の変化で認知運動行動のモバイル研究を可能にする実験プロトコルを確立するための必需品です。他の場所で^10,11論じたように、このようなセットアップは対処することができる研究課題はほぼ無限です。近い将来、我々の焦点は、立って、歩いて、次のリハビリのためにBMIの開発に重要な問題になります脳損傷と神経障害。上記のように一つの重要なコンポーネントは、脳から測定された信号を使用して動きを復元するために、生理学的および機械的なアーティファクトを拒否することができリハビリテーションロボットシステムへのブレインマシンインタフェースのための新規な堅牢なコーディング戦略の開発になります。例えば、廊下歩行プロトコルは、データ収集の間に存在する他の人々と公共空間で実行されるため、自然環境の中で神経復号化技術の開発のためのテストベッドを提供しています。このプロトコルを使用して関心のある他の研究課題では、リズミカルな対非リズミカルな歩行訓練を含むリハビリテーションロボットのパラダイムを比較し、急性および慢性の両相における損傷後の機能回復時の神経活動の研究が含まれています。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
BrainAmp Amplifier	Brain Products, Gmbh		Quantity: 2
actiCAP EEG cap with 64 electrodes	Brain Products, Gmbh		Quantity:1
Brainvision MOVE wireless EEG system	Brain Products, Gmbh		Quantity:1
DataLOG MWX8 EMG data collection unit	Biometrics, Ltd.		Quantity:1
SX230 EMG electrodes	Biometrics, Ltd.		Quantity:8
R506 EMG ground electrode	Biometrics, Ltd.		Quantity:1
Opal movement monitor (MARG sensor)	APDM, Inc.		Quantity:11
Opal docking station for wireless data streaming	APDM, Inc.		Quantity:2
Opal wireless access point	APDM, Inc.		Quantity:2
Infrared Light Barrier Kit MK120	Velleman, Inc.		Quantity:5
Wixel Programmable USB Wireless Module	Pololu, Inc.		Quantity:6
Table 1. Equipment