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。
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本文内容
摘要
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
- 连接脑电电极
- 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。
- 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。
- 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。
- 现在连接参考电极，通常将其夹在耳垂上。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 获取脑电校准特征
- 在每次实验开始时，尤其是首次测试受试者时，确定可用于控制脑机接口（BCI）的脑电特征非常有用。这是因为尽管Mu节律和Beta节律的基本特性在所有人中相似，但这些特征因人而异，因此在进行其他实验前必须进行校准。
- 在校准阶段，受试者根据显示器上的视觉提示，想象执行涉及手或脚的不同运动。为开始实验，计算机系统应配置为双显示器模式，研究人员的显示器显示控制软件，第二台显示器显示实验输出内容。
- 通过BCI2000Launcher启动BCI2000，选择相应的放大器源模块、ARSignalProcessing模块和StimulusPresentation模块。本例中使用gUSBampSource模块，用于控制g.USBamp放大器。
- 添加受试者、放大器以及运动筛查任务的参数文件。这些文件应提前配置好，以便直接加载并立即开始实验。
- 将参数文件添加到BCI2000Launcher的文件列表后，点击“Launch”按钮。若一切正常，BCI2000将启动，脑电数据波形将出现，受试者显示器在实验开始前保持空白。
- 实验过程中，屏幕将显示空白或指令，如“右手”、“左手”、“双手”或“双脚”。指令在屏幕上持续3秒；在此期间，受试者应持续想象相应运动。手部运动应为开合动作（例如像握网球），脚部运动应为前后移动（例如像双脚踩油门）。当屏幕空白时，身体应完全放松。
- 每轮实验中，每个身体部位重复20次。理想情况下应收集100个数据点，即共进行5轮实验。若进行多次实验，所需轮次可减少，因为受试者执行想象任务的能力会提高。
- 分析脑电特征
- 为确定受试者能够自主调节以控制脑机接口的脑电特征，需使用BCI2000自带的离线分析工具对校准数据进行离线分析。该工具将采集的数据转换为频域特征，显示在不同运动期间发生变化且与任务高度相关的频率和位置。这些特征随后可用于脑机接口实验。
- 为确定应使用的特征，启动BCI2000离线分析工具。BCI2000提供了详细的分析工具使用教程，可参考以获取更多信息。
- 通过分析工具生成的图表中寻找较大的r平方值，以确定与每种运动高度相关的脑电特征。选择r平方值最大（例如大于0.2）的通道和频率区间作为特定方向的控制信号组成部分。例如，与“右手”条件相关的特征应设置为使光标向屏幕右侧移动。
- 还需注意，Mu/Beta节律在伴随运动时其振幅会降低。因此，为使光标向正x方向（右侧）移动，该特征应赋予负权重。
- 所选通道和频率应与已知的皮层感觉运动节律特性一致。即，想象右手运动时的显著变化应出现在对侧（左侧）运动皮层，靠近C3和CP3电极，中心频率约为8–12 Hz和/或18–28 Hz。类似地，左手运动应在右侧运动皮层的C4和CP4电极处产生变化，脚部运动应在Cz和CPz电极处出现变化。若这些位置或数值不符，则可能测量到了其他噪声或随机效应，不应将其配置为控制特征。
- 对于每种条件，应选择r平方值最大的四个通道-频率组合（按通道编号和频段编号）。频率以2 Hz为一个区间，因此10–12 Hz的高r平方特征将出现在第6个频段。根据这些数值，可配置光标控制任务。
- 在线反馈实验配置
- 在BCI2000 Launcher中配置光标移动实验。
- 实验开始前，需配置多个参数。首先，空间滤波器应设置为公共平均参考（common-average reference）。为此，在BCI2000操作界面中点击“Config”以打开设置列表，然后点击“Filtering”标签页。
- 进入SpatialFiltering设置，将SpatialFilterType下拉菜单更改为“Common-Average Reference (CAR)”。
- 在SpatialFilter CAR Output下，列出校准阶段选定的通道名称或编号。例如，输入“C3 CP3 C4 CP4 Cz CPz”（不含引号），BCI2000将自动识别所用通道（前提是通道标签已在“Source”标签页的“Channel Names”字段中列出）。
- 接下来，需配置分类矩阵以使用选定的特征。在Filtering标签页下，进入Classifier参数并点击“Edit Matrix”。
- 矩阵列数应设为4，行数应等于所选特征的总数。每一行对应一个单独的特征。
- 第一列应包含所有使用的通道名称，例如C3、C4等。第二列包含选定的控制频段。可输入频段编号或具体频率；若Source标签页中BinWidth参数为“2 Hz”，则输入“6”或“11Hz”将选择同一频段。第三列为输出通道；“1”对应水平移动，“2”对应垂直移动。在水平光标控制任务中，C3、CP3、C4、CP4应设为1；在垂直控制任务中，C3、CP3、C4、CP4、Cz和CPz应设为2。第四列为特征权重，应与预期移动方向相反。例如，为使光标向右移动，C3和CP3应赋予权重-1；为使光标向左移动，C4和CP4应赋予权重1。为使光标向下移动，Cz和CPz应赋予权重1；为使光标向上移动，C3和C4应赋予权重-1。
- 光标移动任务
- 系统已按正确设置配置完毕，现在可以开始实验任务。
- 系统配置为在每次试验中显示四个目标之一。受试者的目标是通过想象与所需移动方向对应的运动（例如想象右手运动以向右移动，想象脚部运动以向下移动等），将光标移至正确目标。
- 在前几轮试验中，光标移动受限于目标所在的轴线。即，若目标位于屏幕顶部或底部，则光标只能上下移动；若目标位于左侧或右侧，则光标只能左右移动。
- 试验开始时，屏幕上显示字母“T”持续2秒。随后，其中一个目标出现1秒。
- 1秒后，光标出现在屏幕中央。受试者通过相应的想象运动将光标移向目标。若命中目标，目标将变色；否则，受试者有5秒时间命中目标，超时则视为未命中。
- 每次试验后有2秒的试验间间隔，期间受试者可放松、眨眼、吞咽或调整姿势。试验过程中应尽量减少身体移动，以降低运动伪迹或肌电伪迹。建议在光线较暗的环境中坐在舒适的椅子上进行实验。
- 完成20次试验后，BCI2000将进入暂停状态。此时，若受试者无法移动光标，可能需要重新调整部分设置。
- 若经过4轮实验后受试者仍无法自主控制光标移动，可能需要使用BCI2000离线分析工具重新分析采集的数据。根据新的特征图谱选择新的通道和频率。受试者可能需要进行多轮或多次实验才能熟练掌握该任务。
第6部分：代表性结果：
- 图1和图2展示了校准过程的决定系数（r-squared）值及头皮地形图，用于指示应选择哪些通道和频率区间以实现光标控制。
- 经过训练的受试者应能在1至2秒内快速将光标移动到显示的目标位置。
图1 A) 和 B) 右手实际运动与想象运动期间10-12 Hz频段的谱图变化地形图。C) 静息状态（虚线）和运动状态（实线）期间C3导联的功率谱。D) 运动期间相对于静息状态的功率决定系数（r-squared）。
图2 想象右手运动时所有通道的决定系数（r-squared）。x轴为0至70 Hz范围内以2 Hz为间隔的频率。y轴为通道编号。通道9、10、17、18和19的决定系数最高，这些通道覆盖了对侧手部运动皮层区域。
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讨论
- 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。
- 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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致谢
美国国立卫生研究院国家生物医学成像与生物工程研究所 RO1：1R01EB009103-01
临床神经工程培训项目（1 T90 DK070079-01）
华莱士·H·科特尔基金会
美国国立卫生研究院临床与转化科学奖（机构级）
美国国立卫生研究院/国家研究资源中心 1KL2RR025012-01
威斯康星校友研究基金会
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材料
| 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） |
参考文献
- Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci). IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12 (3), 331-338 (2004).
- Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proc Natl Acad Sci USA. 101 (51), 17849-17854 (2004).
- Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE transactions on bio-medical engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).
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