Mit Hilfe eines EEG-basierten Brain-Computer Interface für Virtual Cursor-Bewegung mit BCI2000

Ein Gehirn-Computer-Interface (BCI) funktioniert, indem es ein neuronales Signal wie das Elektroenzephalogramm oder EEG in ein Signal übersetzt, das zur Steuerung eines Computers oder eines anderen Geräts verwendet werden kann. Das Verfahren beginnt mit dem Anbringen der EEG-Elektrodenkappe an der Kopfhaut des Probanden, um die Gehirnaktivität aufzuzeichnen. Der Proband wird dann gebeten, sich mehrere willkürliche Bewegungen mit seinen Händen und Füßen vorzustellen, woraufhin ein Kalibrierungsverfahren durchgeführt wird, das die Eigenschaften des EEG als Ergebnis des Kalibrierungsverfahrens analysiert.

Mit den R-Quadrat-Werten und der Kopfhauttomographie kann bestimmt werden, welche Elektroden und Frequenzbins verwendet werden, um einen Cursor auf dem Computerbildschirm zu führen. Die Probanden werden dann in der Lage sein, einen Cursor schnell in die Zielbereiche zu bewegen, indem sie einfach darüber nachdenken. Hallo, ich bin Adam Wilson und arbeite im Justin Williams Labor am Department of Biomedical Engineering an der University of Wisconsin-Madison.

Heute werde ich das Verfahren zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität vorstellen, das als Elektroenzephalogramm oder EEG bezeichnet wird, um eine Anwendung für eine Gehirn-Computer-Schnittstelle zu steuern. Also lasst uns loslegen. Sie beginnen dieses Protokoll, indem Sie die EEG-Elektroden über eine EEG-Kappe mit der Kopfhaut des Probanden verbinden, die die Elektroden nach dem internationalen System 10 20 positioniert.

Um die Kappe richtig auf der Kopfhaut des Probanden zu positionieren, markieren Sie mit einem Filzstift die Nase, die den Schnittpunkt zwischen den vorderen Nasenknochen und dem Indianerknochen, dem größten Vorsprung des Hinterhauptbeins, darstellt. Finden Sie die Mitte zwischen nasn und inion und market. Diese Position wird als Scheitelpunkt bezeichnet.

Suchen Sie die CZ-Elektrode auf der Kappe und positionieren Sie sie auf dem Scheitelpunkt, um CZ fixiert zu halten. Schieben Sie die Kappe auf den Kopf. Stellen Sie sicher, dass sich die FC-, cz- und PZ-Elektroden auf der Mittellinie der Kopfhaut befinden, dass die Elektroden von O eins bis O2 horizontal und auf einer Höhe mit oz sind und dass FP eins bis FP zwei auf Höhe von FPZ sind.

Befestigen Sie nun die Referenzelektrode, die normalerweise an einem Ohrläppchen befestigt wird. Jetzt, da die Elektroden richtig platziert wurden, muss man sicherstellen, dass der richtige elektrische Kontakt zur Kopfhaut hergestellt wird. Dazu wird zunächst mit einer stumpfen Nadel leitfähiges Gel in einer kleinen Spritze aufgezogen.

Führen Sie dann die Nadel in eine Elektrode ein und drücken Sie die Kopfhaut mit der Nadel vorsichtig ab, um abgestorbene Haut zu entfernen. Beginnen Sie mit der Ohrreferenzelektrode und wiederholen Sie den Vorgang für alle Elektroden, einschließlich der Masse, füllen Sie die Elektrode mit einer kleinen Menge Gel. Achten Sie darauf, dass Sie es nicht überfüllen.

Überprüfen Sie die Impedanzen für alle Kanäle, die alle weniger als fünf Kiloohm betragen sollten. Ihre Methode hängt von Ihrem Verstärkersystem ab. Um dies mit dem GUSB-Verstärker in BCI 2000 zu tun, ändern Sie den Parameter für den Erfassungsmodus auf Impedanz und drücken Sie set config, um die Impedanzwerte für alle Kanäle abzufragen.

Wenn eine Elektrode eine Impedanz von mehr als fünf Kiloohm hat, führen Sie die Nadel erneut ein und legen Sie die Kopfhaut etwas weiter ab, um die Verbindung zu verstärken. Überprüfen Sie dann erneut die Impedanz. Nun ist die EEG-Kappe bereit für die Aufzeichnung.

Konfigurieren Sie zunächst das Computersystem für den Dual-Monitor-Modus. Starten Sie BCI 2000 über den BCI 2000 Launcher, indem Sie Ihr Verstärkerquellenmodul, das Dummy-Signalverarbeitungsmodul und das Stimulus-Präsentationsmodul auswählen. Fügen Sie die Parameterdateien für Ihr Motiv, den Verstärker und die Motor-Screening-Aufgaben hinzu, die Sie im Voraus konfigurieren sollten. Während der Sitzung ist der Bildschirm entweder leer oder zeigt jeweils drei Sekunden lang eine Anweisung wie rechte Hand, linke Hand, beide Hände oder beide Füße an.

Während jeder dreisekündigen Bewegung sollte sich der Proband kontinuierlich die angegebene Bewegung vorstellen. Die Handbewegungen sollten das Öffnen und Schließen der Hände sein, wie das Drücken eines Tennisballs, und die Fußbewegungen sollten die Füße hin und her bewegen, als würde man mit beiden Füßen auf ein Gaspedal drücken. Wenn der Bildschirm leer ist, sollte das Motiv den Körper während eines Laufs vollständig entspannen.

Wiederholen Sie jedes Körperteil 20 Mal und führen Sie fünf Durchläufe mit insgesamt hundert Datenpunkten durch. Jetzt können Sie die Daten analysieren, um die EEG-Merkmale zu bestimmen, die für jede imaginäre Bewegung einzigartig sind. Nachdem Sie mit dem Sammeln der Screening-Daten fertig sind, ist es an der Zeit, das Offline-Analysetool BCI 2000 zu verwenden, um zu bestimmen, welche Merkmale im EEG-Signal die Benutzer freiwillig modulieren können.

Das Offline-Analysetool wandelt das EEG-Signal in den Frequenzbereich um, in dem Sie bestimmen können, welche Kanäle und welche Frequenzmerkmale im Signal maximal mit den Aufgaben korreliert waren. Um mit der Analyse zu beginnen, starten Sie das Math-Lab-Programm, navigieren Sie zum BCI 2000-Offline-Analyseordner und starten Sie dann das Programm. Verwenden Sie das Programm, um zu bestimmen, welche EEG-Merkmale stark mit den einzelnen Bewegungen korrelieren.

Zeichnen Sie für jede Bewegung die Daten und suchen Sie dann die Diagramme mit den größten R-Quadrat-Werten oder der stärksten Korrelation. Sie können dann die Kanäle und Frequenzklassen mit den größten R-Quadrat-Werten als Steuersignale verwenden, um den Cursor in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Richten Sie z. B. Funktionen ein, die sich für die Bedingung "rechte Hand" ändern, um den Cursor auf die rechte Seite des Bildschirms zu bewegen.

Achten Sie bei der Analyse Ihrer Daten darauf, dass die gewählten Kanäle und Frequenzen mit den bekannten Eigenschaften der kortikalen sensomotorischen Rhythmen übereinstimmen. Zum Beispiel sollten Sie signifikante Veränderungen sehen, die mit einer imaginären Bewegung der rechten Hand über dem kontralateralen motorischen Kortex in der Nähe von C3 und CP drei korrespondieren und in der Nähe von acht bis 12 Hertz bzw. 18 bis 28 Hertz zentriert sind. Wenn diese Positionen und Werte unterschiedlich sind, haben Sie wahrscheinlich Rauschen oder einen zufälligen Effekt gemessen und sollten diesen bestimmten Rhythmus nicht als Steuerungsfunktion konfigurieren.

Wählen Sie für jede Bedingung die Kanalnummer und die Frequenzklassen mit den vier größten R-Quadrat-Werten aus. Mit diesen Werten in der Hand können Sie das System für die Cursorsteuerungsaufgabe konfigurieren. Nachdem Sie nun die Funktionen ermittelt haben, die mit den einzelnen Imagine-Bewegungen korreliert sind, ist es an der Zeit, das BCI-System so einzurichten, dass diese Funktionen zur Steuerung der Cursorbewegung verwendet werden.

Zuerst konfigurieren wir die Cursorbewegungssitzung im BCI 2000 Launcher, indem wir Ihr Verstärkerquellenmodul, Ihr AR-Signalverarbeitungsmodul und Ihr Aufgabenmodul auswählen. Konfigurieren Sie zunächst den räumlichen Filter mit einem gemeinsamen Durchschnittsbezug. Drücken Sie dazu im BCI 2000-Operator auf config, um die Einstellungsliste aufzurufen, und drücken Sie die Registerkarte Filter.

Gehen Sie zur räumlichen Filterung, und ändern Sie das Dropdown-Feld für den räumlichen Filtertyp in Common Average Reference oder CAR unter spatial filter, CAR-Ausgabe. Listen Sie die Kanalnamen oder -nummern auf, die Sie in der Kalibrierungssitzung ausgewählt haben. Konfigurieren Sie als Nächstes die Klassifizierungsmatrix so, dass die Features verwendet werden, die Sie auf der Registerkarte Filterung ausgewählt haben.

Gehen Sie zum Klassifikator-Parameter und drücken Sie Matrix bearbeiten. Legen Sie die Anzahl der Spalten auf vier und die Anzahl der Zeilen auf die Gesamtzahl der ausgewählten Features fest. Jede Matrixzeile entspricht einem einzelnen Merkmal.

Geben Sie in der ersten Spalte alle Kanalnamen ein. Geben Sie in der zweiten Spalte die Frequenzklassen ein, die Sie ausgewählt haben, um jede Bewegung zu steuern. In der dritten Spalte gibt der Ausgabekanal die Cursorbewegung ein, die durch das Feature gesteuert wird.

Ein Wert von eins entspricht der horizontalen Bewegung und zwei entspricht der vertikalen Bewegung. Die Kanäle C3, CP drei, C vier und CP vier sollten für die horizontale Cursorsteuerung auf eins gesetzt werden. Die Aufgabe C3, CP drei, C vier, CP vier und CZ sollten für eine vertikale Fluchkontrollaufgabe auf zwei gesetzt werden.

Geben Sie abschließend in der vierten Spalte die Feature-Gewichtung ein, die der entgegengesetzten beabsichtigten Richtung entspricht. Um den Cursor z. B. nach rechts zu bewegen, sollten Sie C3 und CP drei als minus eins warten, und um ihn nach links zu verschieben, sollten Sie C vier und CP vier als eins warten. Um den Cursor nach unten zu bewegen, sollten Sie CZ und CPZ als eins warten, und um den Cursor nach oben zu bewegen, sollten Sie C3 und C vier als minus eins warten.

Nachdem Sie das System mit den richtigen Einstellungen konfiguriert haben, ist es an der Zeit, die experimentelle Aufgabe zu starten. Führen Sie die Versuche in einem schwach beleuchteten Raum mit einem bequemen Stuhl für den Probanden durch. Während der Versuche sollte der Proband die Bewegung auf ein Minimum beschränken.

Um Artefakte zu reduzieren, wird es Pausen zwischen den Prüfungen geben. Beschränken Sie den Cursor für die ersten Versuche auf die Achse des Ziels. Das heißt, wenn sich das Ziel oben oder unten befindet, ist es nur möglich, den Cursor nach oben oder unten zu bewegen, und wenn es sich links oder rechts auf dem Bildschirm befindet, kann das Motiv den Cursor nur nach links oder rechts bewegen.

Eines der Ziele wird für eine Sekunde angezeigt. Der Cursor wird in der Mitte des Bildschirms angezeigt. Das Subjekt hat dann fünf Sekunden Zeit, um den Cursor mit den entsprechenden imaginären Bewegungen auf das Ziel zu lenken.

Wenn das Subjekt das Ziel trifft, ändert es nach fünf Sekunden ohne Treffer seine Farbe, die Sitzungsabschaltung läuft ab und wird als Fehlschlag gewertet. Nach dem Versuch gibt es ein zweisekündiges Intervall zwischen den Versuchen, während dessen der Proband sich entspannen, blinzeln, schlucken oder anderweitig seine Positionen neu justieren kann. Nach 20 Versuchen geht VCI 2000 in einen Schwebezustand über. Während dieser Zeit müssen Sie möglicherweise einige der Einstellungen neu anpassen, wenn das Motiv den Cursor nicht bewegen kann.

Wenn der Proband den Cursor nach vier Durchläufen immer noch nicht bewegen kann, müssen Sie die erfassten Daten möglicherweise im Offline-Analysewerkzeug BCI 2000 erneut analysieren. Wählen Sie die neuen Kanäle und Frequenzen basierend auf den neuen Feature-Plots aus. Es kann mehrere Durchläufe oder möglicherweise mehrere Sitzungen dauern, bis ein Proband die Aufgabe beherrschen kann.

Diese Bilder zeigen die R-Quadrat-Werte und die Topographie der Kopfhaut für das Kalibrierungsverfahren und geben an, welche Kanäle und Frequenzbinals ausgewählt werden sollten. Für die Cursorsteuerung sollte ein trainiertes Subjekt in der Lage sein, den Cursor innerhalb von ein bis zwei Sekunden schnell zum angezeigten Ziel zu bewegen. Wir haben Ihnen gerade gezeigt, wie Sie eine Gehirn-Computer-Schnittstelle konfigurieren, um EEGs zu sammeln und einen Benutzer zu trainieren, einen virtuellen Cursor mithilfe seiner Gehirnaktivität zu steuern.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass es eine Menge Training erfordern kann, bis jemand lernt, wie man dieses System benutzt, aber mit etwas Beharrlichkeit kann fast jeder lernen, es zu tun. Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.