基于EEG的脑机接口使用虚拟光标移动与BCI2000

脑机接口或 BCI 通过将神经信号（如脑电图或脑电图）转换为可用于控制计算机或其他设备的信号来发挥作用。该程序首先将 EEG 电极帽连接到受试者的头皮上以记录大脑活动。然后要求受试者想象他们的手和脚的几个自主运动，此时执行校准程序，分析作为校准程序结果的脑电图特征。

R 平方值和头皮断层扫描可用于确定将使用哪些电极和频率区间来引导计算机屏幕上的光标。然后，受试者只需思考一下，就可以将光标快速移动到目标区域。大家好，我是 Adam Wilson，在威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程系的 Justin Williams 实验室工作。

今天，我将分享记录大脑活动的过程，称为脑电图或 EEG，用于控制脑机接口应用程序。那么让我们开始吧。您可以通过 EEG 帽将 EEG 电极连接到受试者的头皮来开始此协议，EEG 帽根据 10 20 国际系统定位电极。

要将帽子正确放置在受试者的头皮上，请使用毡尖笔标记鼻孔，这是额鼻骨和印度鼻骨的交点，印度鼻骨是枕骨最大的突出部分。找到 nasn 和 inion 与 market 之间的中间点。这个位置称为顶点。

在盖子上找到 CZ 电极并将其放置在保持 CZ 固定的顶点上。将盖子滑到头上。确保 FC cz 和 PZ 电极位于头皮的中线，O 1 到 O2 电极水平并与 oz 齐平，FP 1 到 FP 2 与 FPZ 齐平。

现在连接参比电极，该电极通常夹在耳垂上。既然电极已经正确放置，则必须确保与头皮进行适当的电接触。为此，首先将导电凝胶吸入带有钝头针的小注射器中。

然后将针头插入电极，用针头轻轻擦拭头皮以去除任何死皮。从耳参比电极开始，对所有电极（包括地面）重复此作，在电极中加入少量凝胶。小心不要装得太满。

检查所有通道的阻抗，这些通道都应该小于 5 kΩ。您的方法会因放大器系统而异。要使用 BCI 2000 中的 GUSB 放大器执行此作，您需要将采集模式参数更改为 impedance 并按 set config 查询所有通道的阻抗值。

如果电极的阻抗大于 5 千克欧姆，请再次插入针头并进一步编织头皮以加强连接。然后再次检查阻抗。现在 EEG 帽已准备好进行记录。

首先，将计算机系统配置为双显示器模式。通过选择放大器源模块、虚拟信号处理模块和刺激呈现模块，从 BCI 2000 启动器启动 BCI 2000。为您的主题、放大器和电机筛选任务添加参数文件，您应该在会话期间提前配置这些文件，屏幕要么是空白的，要么显示指令，例如右手、左手、双手或双脚，一次持续三秒钟。

在每三秒钟的移动中，受试者应不断想象指示的运动。手部动作应该是像挤压网球一样张开和合拢双手，脚部动作应该是像用双脚踩油门踏板一样来回移动双脚。当屏幕空白时，受试者应在跑步过程中完全放松身体。

重复每个身体部位 20 次，并执行 5 次运行，总共 100 个数据点。现在，您可以分析数据以确定每个想象运动独有的 EEG 特征。现在您已经完成了筛选数据的收集，是时候使用 BCI 2000 离线分析工具来确定用户能够自愿调制 EEG 信号中的哪些特征了。

离线分析工具将 EEG 信号转换为频域，您可以在其中确定信号中的哪些通道和哪些频率特征与任务最相关。要开始分析，请启动数学实验室程序并导航到 BCI 2000 离线分析文件夹，然后启动该程序。使用该程序确定哪些 EEG 特征与每个运动密切相关。

对于每个走势，绘制数据，然后找到具有最大 R 平方值或最强相关性的绘图。然后，您可以使用具有最大 R 平方值的通道和频率箱作为控制信号，将光标移动到特定方向。例如，设置针对右手条件进行更改的功能，以将光标移动到屏幕右侧。

在分析数据时，请确保选择的通道和频率与皮质感觉运动节律的已知特性一致。例如，您应该看到与 C3 和 CP 3 附近对侧运动皮层上想象的右手运动相对应，并且分别在 8 到 12 赫兹和/或 18 到 28 赫兹附近中心发生了显着变化。如果这些位置和值不同，那么你可能测量了噪声或一些随机效果，并且不应该将该特定节奏配置为控制功能。

对于每个条件，选择具有四个最大 R 平方值的通道编号和频率区间。有了这些值，您可以为光标控制任务配置系统。现在您已经确定了与每个 Imagine 移动相关的特征，是时候设置 BCI 系统以使用这些功能来控制光标移动了。

首先，我们将通过选择您的放大器源模块、AR 信号处理模块和任务模块，在 BCI 2000 启动器中配置光标移动会话。首先，使用公共平均引用配置空间过滤器。为此，请按 BCI 2000 运算符中的 config 调出设置列表，然后按筛选选项卡。

转到空间筛选，然后将空间筛选器类型下拉框更改为空间筛选器、CAR 输出下的公共平均参考或 CAR。列出您在校准会话中选择的通道名称或编号。接下来，配置分类矩阵以使用您在筛选选项卡下选择的功能。

转到 classifier 参数，然后按 edit matrix。将列数设置为 4，将行数设置为所选特征的总数。每个矩阵行对应于一个单独的特征。

在第一列中，输入所有通道名称。在第二列中，输入您选择的频率箱以控制每个运动。在第三列中，输出通道输入由该功能控制的光标移动。

值 1 对应于水平移动，值 2 对应于垂直移动。通道 C3、CP 3、C 4 和 CP 4 应设置为 1，以便进行水平光标控制。对于垂直诅咒控制任务，任务 C3 CP 3、C 4、CP 4 和 CZ 应设置为 2。

最后，在第四列中，输入特征权重，该权重对应于相反的预期方向。例如，要向右移动光标，您应该等待 C3 和 CP 3 为减 1，要将其向左移动，您应该等待 C 4 和 CP 4 为 1。同样，要向下移动光标，您应该等待 CZ 和 CPZ 为 1，要向上移动光标，您应该等待 C3 和 C 4 为负 1。

现在，您已经使用正确的设置配置了系统，是时候开始实验任务了。在光线昏暗的房间里进行试验，并为受试者提供舒适的椅子。在试验期间，受试者应将运动保持在最低限度。

为了减少伪影，Trial 之间会有中断。对于第一次试验，将光标约束到目标的轴上。也就是说，如果目标在顶部或底部，则只能向上或向下移动光标，如果目标在屏幕的左侧或右侧，则被摄体只能向左或向右移动光标。

其中一个目标将显示一秒钟。光标显示在屏幕中间。然后，受试者有 5 秒钟的时间使用适当的想象动作将光标引导至目标。

如果主题击中目标，它会在 5 秒未命中后改变颜色，会话超时并计为未命中。试验后，有两秒的试验间隔，在此期间受试者可以放松、眨眼、吞咽或以其他方式重新调整姿势，经过 20 次试验后，VCI 2000 进入暂停状态。在此期间，如果拍摄对象无法移动光标，您可能需要重新调整某些设置。

如果运行四次后，受试者仍然无法移动光标，则可能需要在 BCI 2000 离线分析工具中重新分析收集的数据。根据新特征图选择新的通道和频率。可能需要多次运行或多次会话，主题才能熟练完成任务。

这些图像显示了校准程序的 R 平方值和头皮形貌，指示应选择哪些通道和频率箱。对于光标控制，受过训练的受试者应该能够在一两秒内将光标快速移动到显示的目标。我们刚刚向您展示了如何配置脑机接口来收集 EEG 并训练用户使用其大脑活动来控制虚拟光标。

重要的是要记住，一个人可能需要大量的培训才能学习如何使用这个系统，但只要坚持不懈，几乎任何人都可以学会这样做。就是这样。感谢您的观看，祝您的实验好运。