El uso de un EEG basado en interfaz cerebro-ordenador para el movimiento del cursor virtual con BCI2000

Una interfaz cerebro-computadora o BCI funciona traduciendo una señal neuronal, como el electroencefalograma o el EEG, en una señal que se puede usar para controlar una computadora u otro dispositivo. El procedimiento comienza colocando el capuchón del electrodo de EEG en el cuero cabelludo del sujeto para registrar la actividad cerebral. A continuación, se pide al sujeto que imagine varios movimientos voluntarios con las manos y los pies, momento en el que se realiza un procedimiento de calibración, en el que se analizan las características del EEG como resultado del procedimiento de calibración.

Los valores R cuadrado y la tomografía del cuero cabelludo se pueden usar para determinar qué electrodos y intervalos de frecuencia se usarán para guiar un cursor en la pantalla de la computadora. De este modo, los sujetos podrán mover el cursor rápidamente a las áreas objetivo con solo pensarlo. Hola, soy Adam Wilson y trabajo en el laboratorio de Justin Williams en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Hoy compartiré el procedimiento para registrar la actividad cerebral llamado electroencefalograma o EEG para controlar una aplicación de interfaz cerebro-computadora. Así que comencemos. Comienza este protocolo conectando electrodos de EEG al cuero cabelludo del sujeto a través de un gorro de EEG, que posiciona los electrodos de acuerdo con el sistema internacional 10 20.

Para colocar correctamente la gorra en el cuero cabelludo del sujeto, use un rotulador para marcar la nasión, que es la intersección de los huesos nasales frontales y el indio, la protuberancia más grande del hueso occipital. Encuentre el punto medio entre nasn e inion y el mercado. Esta posición se denomina vértice.

Encuentre el electrodo CZ en la tapa y colóquelo en el vértice Manteniendo CZ fijo. Desliza la tapa en la cabeza. Asegúrese de que los electrodos FC cz y PZ estén en la línea media del cuero cabelludo, que los electrodos de O uno a O2 estén horizontales y nivelados con oz, y que FP uno a FP dos estén nivelados con FPZ.

Ahora conecte el electrodo de referencia, que generalmente se engancha en el lóbulo de la oreja. Ahora que los electrodos se han colocado correctamente, hay que asegurarse de que se haga un contacto eléctrico adecuado con el cuero cabelludo. Para hacer esto, primero se extrae un gel conductor en una jeringa pequeña con una aguja de punta roma.

A continuación, inserte la aguja en un electrodo y frote suavemente el cuero cabelludo con la aguja para eliminar la piel muerta. Comience con el electrodo de referencia del oído y repita para todos los electrodos, incluido el de tierra, llene el electrodo con una pequeña cantidad de gel. Tenga cuidado de no llenarlo demasiado.

Compruebe las impedancias de todos los canales, que deben ser inferiores a cinco kilo ohmios. Su método variará dependiendo de su sistema de amplificación. Para hacerlo con el amplificador GUSB en BCI 2000, cambiará el parámetro del modo de adquisición a impedancia y presionará set config para consultar los valores de impedancia para todos los canales.

Si un electrodo tiene una impedancia superior a cinco kilo ohmios, vuelva a insertar la aguja y abrasar un poco más el cuero cabelludo para fortalecer la conexión. A continuación, vuelva a comprobar la impedancia. Ahora el gorro de EEG está listo para grabar.

Para comenzar, configure el sistema informático para el modo de monitor dual. Inicie BCI 2000 desde el lanzador BCI 2000 seleccionando el módulo de fuente del amplificador, el módulo de procesamiento de señal ficticia y el módulo de presentación de estímulos. Agregue los archivos de parámetros para su sujeto, el amplificador y las tareas de detección del motor, que debe configurar con anticipación durante la sesión, la pantalla está en blanco o muestra una instrucción como mano derecha, mano izquierda, ambas manos o ambos pies durante tres segundos a la vez.

Durante cada movimiento de tres segundos, el sujeto debe imaginar continuamente el movimiento indicado. Los movimientos de las manos deben ser abrir y cerrar las manos como apretar una pelota de tenis, y los movimientos de los pies deben ser mover los pies hacia adelante y hacia atrás como presionar un pedal del acelerador con ambos pies. Cuando la pantalla está en blanco, el sujeto debe relajar completamente el cuerpo durante una carrera.

Repite cada parte del cuerpo 20 veces y realiza cinco carreras para un total de cien puntos de datos. Ahora puede analizar los datos para determinar las características del EEG únicas para cada movimiento de imaginación. Ahora que ha terminado de recopilar los datos de detección, es hora de utilizar la herramienta de análisis fuera de línea BCI 2000 para determinar qué características de la señal de EEG pueden modular voluntariamente los usuarios.

La herramienta de análisis fuera de línea convierte la señal de EEG en el dominio de frecuencia donde puede determinar qué canales y qué características de frecuencia en la señal se correlacionaron al máximo con las tareas. Para comenzar el análisis, inicie el programa de laboratorio de matemáticas y vaya a la carpeta de análisis sin conexión de BCI 2000 y, a continuación, inicie el programa. Utilice el programa para determinar qué características del EEG están fuertemente correlacionadas con cada movimiento.

Para cada movimiento, represente los datos y, a continuación, busque las gráficas con los valores de R cuadrado más grandes o la correlación más fuerte. A continuación, puede utilizar los canales y los intervalos de frecuencia con los valores R cuadrado más grandes como señales de control para mover el cursor en una dirección determinada. Por ejemplo, configure características que cambien para la condición de la mano derecha para mover el cursor al lado derecho de la pantalla.

Al analizar los datos, asegúrese de que los canales y las frecuencias elegidos sean coherentes con las propiedades conocidas de los ritmos sensoriomotores corticales. Por ejemplo, debería ver cambios significativos que se corresponden con el movimiento imaginario de la mano derecha sobre la corteza motora contralateral cerca de C3 y CP tres, y centrados cerca de ocho a 12 hercios o 18 a 28 hercios respectivamente. Si estas ubicaciones y valores son diferentes, es probable que haya medido el ruido o algún efecto aleatorio y no deba configurar ese ritmo en particular como una característica de control.

Para cada condición, elija el número de canal y los intervalos de frecuencia con los cuatro valores R cuadrado más grandes. Con estos valores en la mano, puede configurar el sistema para la tarea de control del cursor. Ahora que ha determinado las características correlacionadas con cada movimiento de Imagine, es hora de configurar el sistema BCI para usar estas características para controlar el movimiento del cursor.

Primero, configuraremos la sesión de movimiento del cursor en el lanzador BCI 2000 seleccionando su módulo de fuente de amplificador, módulo de procesamiento de señal AR y módulo de tareas. En primer lugar, configure el filtro espacial con una referencia de promedio común. Para ello, pulse config en el operador BCI 2000 para que aparezca la lista de ajustes y pulse la pestaña de filtrado.

Vaya a Filtrado espacial y cambie el cuadro desplegable Tipo de filtro espacial a Referencia promedio común o CAR en Filtro espacial, Salida CAR. Enumere los nombres o números de canal que seleccionó en la sesión de calibración. A continuación, configure la matriz de clasificación para utilizar las características que seleccionó en la pestaña de filtrado.

Vaya al parámetro clasificador y presione editar matriz. Establezca el número de columnas en cuatro y el número de filas en el número total de entidades seleccionadas. Cada fila de la matriz corresponde a una característica individual.

En la primera columna, introduzca todos los nombres de los canales. En la segunda columna, introduzca los intervalos de frecuencia que ha seleccionado para controlar cada movimiento. En la tercera columna, el canal de salida entra en el movimiento del cursor controlado por la función.

Un valor de uno corresponde al movimiento horizontal y dos corresponde al movimiento vertical. Los canales C3, CP tres, C cuatro y CP cuatro deben establecerse en uno para el control del cursor horizontal. La tarea C3 CP tres, C cuatro CP cuatro y CZ debe establecerse en dos para una tarea de control de maldición vertical.

Por último, en la cuarta columna, introduzca el peso de la característica, que corresponde a la dirección opuesta prevista. Por ejemplo, para mover el cursor a la derecha, debe esperar C3 y CP tres como menos uno, y para moverlo a la izquierda, debe esperar C cuatro y CP cuatro como uno. Del mismo modo, para mover el cursor hacia abajo, debe esperar CZ y CPZ como uno, y para mover el cursor hacia arriba, debe esperar C3 y C cuatro como menos uno.

Ahora que ha configurado el sistema con la configuración correcta, es hora de comenzar la tarea experimental. Realice los ensayos en una habitación con poca luz y una silla cómoda para el sujeto. Durante los ensayos, el sujeto debe mantener el movimiento al mínimo.

Para reducir los artefactos, habrá pausas entre ensayos. Para las primeras pruebas, restrinja el cursor al eje del objetivo. Es decir, si el objetivo está en la parte superior o inferior, solo es posible mover el cursor hacia arriba o hacia abajo, y si está a la izquierda o a la derecha de la pantalla, el sujeto solo puede mover el cursor hacia la izquierda o hacia la derecha.

Uno de los objetivos aparece durante un segundo. El cursor aparece en el centro de la pantalla. A continuación, el sujeto tiene cinco segundos para utilizar los movimientos imaginarios apropiados para dirigir el cursor al objetivo.

Si el sujeto da en el blanco, cambia de color después de cinco segundos sin un golpe, la sesión se agota y se cuenta como un error. Después de la prueba, hay un intervalo de dos segundos entre pruebas durante el cual el sujeto puede relajarse, parpadear, tragar o reajustar las posiciones. Después de 20 pruebas, VCI 2000 entra en un estado suspendido. Durante este tiempo, es posible que deba reajustar algunos de los ajustes si el sujeto no puede mover el cursor.

Si después de cuatro ejecuciones, el sujeto sigue sin poder mover el cursor, es posible que tenga que volver a analizar los datos recopilados en la herramienta de análisis sin conexión BCI 2000. Seleccione los nuevos canales y frecuencias en función de los nuevos trazados de características. Pueden ser necesarias varias carreras o posiblemente varias sesiones antes de que un sujeto pueda llegar a ser competente en la tarea.

Estas imágenes muestran los valores de R cuadrado y la topografía del cuero cabelludo para el procedimiento de calibración, indicando qué canales y intervalos de frecuencia deben seleccionarse. Para el control del cursor, un sujeto entrenado debe ser capaz de mover rápidamente el cursor al objetivo mostrado en uno o dos segundos. Acabamos de mostrarle cómo configurar una interfaz cerebro-computadora para recopilar EEG y entrenar a un usuario para controlar un cursor virtual mediante el uso de su actividad cerebral.

Es importante recordar que puede tomar mucho entrenamiento para que alguien aprenda a usar este sistema, pero con un poco de persistencia, casi cualquier persona puede aprender a hacerlo. Así que eso es todo. Gracias por mirar y buena suerte con tus experimentos.