使用基于脑电图的脑-机接口通过BCI2000实现虚拟光标控制

摘要

在本视频中，我们演示了进行脑机接口实验所需的步骤，包括设置脑电图帽、校准系统，以及训练用户通过想象运动来实现二维光标移动。

摘要

脑机接口（BCI）通过将神经信号（例如脑电图，EEG）转化为可用于控制计算机或其他设备的信号来实现功能。该系统测量选定频率范围内的EEG信号幅度，并将其转化为设备指令，在本例中即为计算机光标的水平与垂直速度。首先，使用电极帽将EEG电极放置于用户头皮表面，以记录脑部活动。随后，通过校准程序确定用户能够自主调节的EEG电极及其特征，从而实现对BCI的控制。在人类中，当执行或想象肢体运动时，μ频段（8–12 Hz）和β频段（18–28 Hz）的脑电功率会下降。这些变化可被实时检测，并用于控制BCI（[1]，[2]）。因此，在筛选测试阶段，要求用户想象双手和双脚执行多种不同的运动，以识别随想象运动而变化的独特EEG特征。校准结果将显示最优的电极通道，这些通道被配置为：μ和β频段的幅度变化分别控制光标的水平或垂直移动。在本实验中，采用通用型BCI系统BCI2000来控制信号采集、信号处理以及向用户提供的反馈[3]。

方案

实验步骤

1. 连接脑电电极
   1. 将使用脑电帽将电极固定在头皮上；这简化了确保电极按照国际10-20系统准确定位的过程。
   2. 为放置脑电帽，首先使用记号笔或其他类似方法在受试者头皮上标记出头顶点。为此，先找到受试者的鼻根点（nasion）和枕外隆凸点（inion）。使用卷尺测量这两个位置之间的距离。两点之间的中点，即距离的50%，即为头顶点。在该位置做标记以供后续参考。其他10-20系统定位点也可用类似方法确定。
   3. 在脑电帽上找到Cz电极，并将其对准头顶点。固定Cz后，将脑电帽套入头部。确保Fz、Cz和Pz电极位于头皮中线上，O1-O2电极与Oz水平对齐，Fp1-Fp2与Fpz水平对齐。
   4. 现在连接参考电极，通常将其夹在耳垂上。
   5. 接下来，向电极内注入导电凝胶，使电极与头皮形成低阻抗接触。为此，使用带有钝头针头的小型注射器吸取凝胶。在注入凝胶的同时，观察计算机屏幕上的脑电信号波形，有助于判断连接是否良好。
   6. 将针头插入电极，轻轻用针头摩擦头皮以去除死皮。向电极内注入少量凝胶，注意不要过量填充。首先从耳垂参考电极开始，然后依次对所有电极（包括接地电极）重复此操作。
   7. 检查所有通道的阻抗，应全部低于5 kΩ。具体检测方法取决于所使用的放大器系统，但应可通过硬件或BCI2000软件进行阻抗检测。
   8. 若某电极阻抗超过5 kΩ，需再次插入针头并进一步摩擦头皮。通常无需额外注入凝胶，除非阻抗未见下降。

讨论

1. 电极阻抗必须足够低，但不能使用过多凝胶来降低阻抗。单个不良通道可能通过公共平均参考影响所有其他通道。若经过多次尝试仍无法降低阻抗，建议使用快速插入式电极，将其通过注射凝胶时所用针孔插入不良电极中，并用胶带固定。
2. 在首次实验中，受试者可能难以想象所需的动作。此时，可先让其执行实际动作，并对实际动作数据进行离线分析。使用实际动作数据按先前方法配置光标移动实验，让受试者通过实际动作尝试控制光标移动。经过数次运行后，逐步减少实际动作，直至完全停止。经过多次训练后，大多数使用者将不再依赖运动想象，而是直接“意念”控制光标移动。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BCI2000-兼容的放大器系统	g.USBamp		http://www.gtect.at
BCI2000-兼容的放大器系统	Tucker-Davis Technologies	Rx5 或 Rx7	http://www.tdt.com
脑电图帽	Electro-cap International		http://www.electro-cap.com 帽上至少应包含位于手部和足部区域（C3、C4 和 Cz）的电极。还可使用额外通道用于控制（CP3、CP4、CPz）以及空间滤波，以提高信号质量。
导电凝胶	Electro-cap International		http://www.electro-cap.com
PC			运行 Windows XP 或 Vista 系统（至少 Pentium 4，2 GHz，1 GB RAM）
两个显示器			每个至少19英寸（一个供受试者使用，一个供研究人员使用）