Name: 基于EEG的脑机接口使用虚拟光标移动与BCI2000 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-29T16:58:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: 学习使用脑电图（EEG）和BCI2000系统建立脑机接口，通过想象运动控制虚拟光标移动。本方法涵盖电极帽佩戴、系统校准和信号分析，适用于神经科学研究和辅助技术开发。

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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

实验步骤
<ol>
<li>连接脑电电极<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>现在连接参考电极，通常将其夹在耳垂上。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol></li>
<li>获取脑电校准特征<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol></li>
<li>分析脑电特征<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol></li>
<li>在线反馈实验配置<ol>
<li>在BCI2000 Launcher中配置光标移动实验。</li>
<li>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。</li>
<li>进入SpatialFiltering设置，将SpatialFilterType下拉菜单更改为“Common-Average Reference (CAR)”。</li>
<li>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）。</li>
<li>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”。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol></li>
<li>光标移动任务<ol>
<li>系统已按正确设置配置完毕，现在可以开始实验任务。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol></li>
</ol>
第6部分：代表性结果：
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>
<img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig1.jpg" alt="脑活动图谱、脑电图谱分析、频率-幅度图、神经信号处理" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1">
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）。
<img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig2.jpg" alt="频谱分析热图，频率与通道关系图，显示颜色编码的信号强度，图表。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2">
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。

<ol><li>Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+eeg+activity+into+cursor+movement+by+a+brain-computer+interface+%28bci%29%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+transactions+on+neural+systems+and+rehabilitation+engineering%22%5BJournal%5D)">Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci).</a> IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12 (3), 331-338 (2004).</li>
<li>Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+a+two-dimensional+movement+signal+by+a+noninvasive+brain-computer+interface+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 101 (51), 17849-17854 (2004).</li>
<li>Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bci2000%3A+a+general-purpose+brain-computer+interface+%28BCI%29+system%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+transactions+on+bio-medical+engineering%22%5BJournal%5D)">Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system.</a> IEEE transactions on bio-medical engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).</li>
</ol>

<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>BCI2000-兼容的放大器系统</td><td>g.USBamp</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.gtect.at&quot;&gt;http://www.gtect.at&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>BCI2000-兼容的放大器系统</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>Rx5 或 Rx7</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.tdt.com&quot;&gt;http://www.tdt.com&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>脑电图帽</td><td>Electro-cap International</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.electro-cap.com&quot;&gt;http://www.electro-cap.com&lt;/a&gt;&lt;br/&gt;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。</td></tr><tr><td>导电凝胶</td><td>Electro-cap International</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.electro-cap.com&quot;&gt;http://www.electro-cap.com&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>PC</td><td></td><td></td><td>运行 Windows XP 或 Vista 系统（至少 Pentium 4，2 GHz，1 GB RAM）</td></tr><tr><td>两个显示器</td><td></td><td></td><td>每个至少19英寸（一个供受试者使用，一个供研究人员使用）</td></tr></tbody></table>

使用基于脑电图的脑-机接口通过bci2000实现虚拟光标控制

Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

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]。

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。

使用基于脑电图的脑-机接口通过BCI2000实现虚拟光标控制

脑-机接口（BCI）通过将神经信号（例如脑电图（EEG））转化为可用于...的信号来实现功能

脑机接口（BCI）通过将神经信号（例如脑电图，即 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。该过程首先将 EEG 电极帽连接到受试者的头皮上，以记录大脑活动。随后，要求受试者想象用手和脚进行多个自主运动，此时执行校准程序，分析由此产生的脑电图特征。R 平方值和头皮层析图可用于确定使用哪些电极和频率区间来控制计算机屏幕上的光标。随后，受试者只需通过想象即可快速将光标移动到目标区域。大家好，我是 Adam Wilson，我在威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程系 Justin Williams 实验室工作。今天我将分享一种用于控制脑机接口应用的脑电活动记录方法，即脑电图（electroencephalogram，EEG）。让我们开始吧。该实验的第一步是通过EEG帽将EEG电极连接至受试者的头皮，使电极按照国际10-20系统进行定位。为了正确地将帽状电极放置在受试者的头皮上，使用记号笔标记鼻根，即额骨与鼻骨交界处，以及枕外隆凸，即枕骨最突出的部位。找到鼻根与枕外隆凸之间的中点并做标记。该位置称为头顶点。在帽上找到CZ电极，并将其置于头顶点，保持CZ位置固定。将帽套入头部，确保FCz和PZ电极位于头皮中线上，O1至O2电极与Oz水平且呈水平线，FP1至FP2电极与FPz处于同一水平线。现在连接参考电极，该电极通常夹在耳垂上。电极正确放置后，必须确保电极与头皮之间形成良好的电接触。为此，首先使用带有钝头针头的小型注射器吸取导电凝胶。然后将针头插入电极，并用针头轻轻摩擦头皮以去除死皮。先从耳部参考电极开始，随后依次对所有电极（包括接地电极）进行相同操作，并向每个电极内注入少量导电凝胶。注意不要过度填充。检查所有通道的阻抗，所有通道的阻抗均应低于五千欧姆。具体操作方法取决于所使用的放大器系统。若在 BCI 2000 中使用 GUSB 放大器进行此操作，需将采集模式参数更改为阻抗，然后按下“设置配置”以查询所有通道的阻抗值。如果电极的阻抗超过五千欧姆，则需再次插入针头并进一步磨削头皮，以增强连接，然后重新检查阻抗。现在，脑电帽已准备就绪，可以进行记录。首先，将计算机系统设置为双显示器模式。通过 BCI 2000 启动器启动 BCI 2000，选择相应的放大器源模块、虚拟信号处理模块和刺激呈现模块。加载为受试者准备的参数文件，包括放大器参数文件以及用于运动筛查任务的参数文件。这些参数文件应提前配置完毕。在实验过程中，屏幕将交替显示空白或指令，每次显示三秒，指令内容如“右手”、“左手”、“双手”或“双足”。在每次持续三秒的运动过程中，受试者应持续想象指定的运动动作。手部运动应为像握压网球一样反复张开和闭合双手，脚部运动应为像用双脚来回踩踏油门踏板一样前后移动双脚。当屏幕空白时，受试者在运行过程中应使全身完全放松。每个身体部位重复20次，共进行五轮，总计获得一百个数据点。现在可以分析数据，以确定与每种想象运动相对应的独特脑电图特征。完成筛选数据的采集后，接下来使用BCI2000离线分析工具，确定用户能够自主调节的脑电信号中的特征。离线分析工具可将 EEG 信号转换到频域，从而确定哪些通道以及信号中的哪些频率特征与任务具有最大相关性。开始分析时，启动数学实验室程序，导航至 BCI 2000 离线分析文件夹，然后启动程序。使用该程序确定哪些 EEG 特征与每种运动高度相关。对于每个动作，绘制数据，然后找出R平方值最大或相关性最强的图表。随后可将R平方值最大的通道和频率区间作为控制信号，用于控制光标向特定方向移动。例如，可设置在右手条件下发生变化的特征，以使光标移向屏幕右侧。分析数据时，需确保所选通道和频率与已知的皮层感觉运动节律特性一致。例如，在想象右手运动时，应在对侧运动皮层靠近 C3 和 CP3 的区域观察到显著变化，且节律分别集中在约 8 至 12 赫兹和/或 18 至 28 赫兹。如果这些位置或数值存在明显差异，则可能测量到的是噪声或某种随机效应，不应将该特定节律配置为控制特征。针对每种条件，选择 R 平方值最大的四个通道编号和频率区间。获得这些数值后，即可配置系统以进行光标控制任务。现在您已经确定了与每种想象动作相关的特征，接下来需要设置脑机接口（BCI）系统，利用这些特征来控制光标移动。首先，我们将在 BCI 2000 启动器中通过选择放大器源模块、AR 信号处理模块和任务模块来配置光标运动会话。首先，使用公共平均参考配置空间滤波器。为此，在 BCI 2000 操作界面中按下“config”以调出设置列表，然后按下“filtering”选项卡。进入空间滤波，将空间滤波器类型下拉框在空间滤波的 CAR 输出中更改为公共平均参考（common average reference）或 CAR。列出你在校准阶段所选择的通道名称或编号。接下来，在滤波选项卡下选择的特征配置分类矩阵。转到分类器参数并点击编辑矩阵。将列数设置为四，行数设置为所选特征的总数。每行矩阵对应一个单独的特征。在第一列中输入所有通道名称。在第二列中输入所选用于控制每个动作的频率区间。在第三列“输出通道”中输入由该特征控制的光标移动。数值一对应水平移动，数值二对应垂直移动。应将通道 C3、CP three、C four 和 CP four 设置为一，以实现光标的水平控制。在垂直光标控制任务中，应将任务 C3、CP three、C four、CP four 和 CZ 设置为二。最后，在第四列中输入特征权重，该权重对应相反的目标方向。例如，若要将光标向右移动，应将C3和CP3的权重设为负一；若要将光标向左移动，应将C4和CP4的权重设为正一。类似地，若要将光标向下移动，应将CZ和CPZ的权重设为正一；若要将光标向上移动，应将C3和C4的权重设为负一。现在，您已使用正确的设置配置了系统，是时候开始实验任务了。在光线较暗的房间内进行试验，并为受试者准备一把舒适的椅子。试验过程中，受试者应尽量减少移动。为了减少伪迹，各次试验之间将设置间歇。在最初的试验中，将光标限制在目标的轴向上。例如，当目标位于屏幕上方或下方时，光标仅可向上或向下移动；当目标位于屏幕左侧或右侧时，受试者仅可将光标向左或向右移动。其中一个目标出现一秒钟。光标出现在屏幕中央。随后，受试者有五秒钟的时间，通过执行相应的想象运动，将光标移向目标。如果受试者击中目标，目标会在五秒后改变颜色；若五秒内未击中，该次试验将超时并计为未命中。每次试验结束后，会有两秒的试验间间隔，期间受试者可以放松、眨眼、吞咽或进行其他姿势调整。完成20次试验后，VCI 2000将进入暂停状态。在此期间，如果受试者无法移动光标，您可能需要重新调整部分设置。如果经过四次运行后，受试者仍然无法移动光标，则可能需要使用 BCI 2000 离线分析工具重新分析所采集的数据。根据新的特征图选择新的通道和频率。受试者可能需要经过多次运行，甚至多个训练阶段，才能熟练掌握该任务。这些图像显示了校准过程的决定系数（R-squared）值及头皮地形图，用以指示应选择哪些通道和频率区间。对于光标控制，经过训练的受试者应能够在一到两秒内快速将光标移动至所示目标。我们刚刚向您展示了如何配置脑机接口以采集脑电图（EEG）信号，并训练用户利用其脑部活动来控制虚拟光标。需要记住的是，一个人学会使用该系统可能需要大量的培训，但只要有毅力，几乎任何人都能掌握。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

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