Utiliser un EEG-Based Interface cerveau-ordinateur du mouvement de curseur virtuel avec BCI2000

Une interface cerveau-ordinateur ou BCI fonctionne en traduisant un signal neuronal tel que l’électroencéphalogramme ou l’EEG, en un signal qui peut être utilisé pour contrôler un ordinateur ou un autre appareil. La procédure commence par la fixation du capuchon d’électrode EEG sur le cuir chevelu du sujet pour enregistrer l’activité cérébrale. Le sujet est ensuite invité à imaginer plusieurs mouvements volontaires avec ses mains et ses pieds, au cours desquels une procédure d’étalonnage est effectuée, qui analyse les caractéristiques de l’EEG à la suite de la procédure d’étalonnage.

Les valeurs R carré et la tomographie du cuir chevelu peuvent être utilisées pour déterminer quelles électrodes et quels compartiments de fréquences seront utilisés pour guider un curseur sur l’écran de l’ordinateur. Les sujets pourront alors déplacer rapidement un curseur pour cibler des zones simplement en y pensant. Bonjour, je m’appelle Adam Wilson et je travaille dans le laboratoire de Justin Williams au Département de génie biomédical de l’Université du Wisconsin-Madison.

Aujourd’hui, je vais partager la procédure d’enregistrement de l’activité cérébrale appelée électroencéphalogramme ou EEG pour contrôler une application d’interface cerveau-ordinateur. Alors commençons. Vous commencez ce protocole en connectant des électrodes EEG au cuir chevelu du sujet à l’aide d’un capuchon EEG, qui positionne les électrodes selon le système international 10 20.

Pour positionner correctement le capuchon sur le cuir chevelu du sujet, utilisez un stylo-feutre pour marquer la nasion, qui est l’intersection des os nasaux frontaux et de l’indien, la plus grande saillie de l’os occipital. Trouvez le point à mi-chemin entre nasn et inion et marché. Cette position s’appelle le sommet.

Trouvez l’électrode CZ sur le capuchon et positionnez-la sur le sommet en gardant CZ fixe. Glissez le capuchon sur la tête. Assurez-vous que les électrodes FC cz et PZ sont sur la ligne médiane du cuir chevelu, que les électrodes O un à O2 sont horizontales et au niveau de l’oz, et que FP un à FP deux sont au niveau du FPZ.

Fixez maintenant l’électrode de référence, qui se clipse généralement sur un lobe d’oreille. Maintenant que les électrodes ont été correctement placées, il faut s’assurer qu’un contact électrique approprié est établi avec le cuir chevelu. Pour ce faire, le gel conducteur est d’abord aspiré dans une petite seringue avec une aiguille à extrémité émoussée.

Ensuite, insérez l’aiguille dans une électrode et abjurez doucement le cuir chevelu avec l’aiguille pour éliminer toute peau morte. Commencez par l’électrode de référence auriculaire et répétez l’opération pour toutes les électrodes, y compris la terre, remplissez l’électrode avec une petite quantité de gel. Attention à ne pas trop le remplir.

Vérifiez les impédances de tous les canaux, qui doivent tous être inférieurs à cinq kilo-ohms. Votre méthode variera en fonction de votre système d’amplification. Pour ce faire avec l’ampli GUSB dans BCI 2000, vous allez changer le paramètre du mode d’acquisition en impédance et appuyer sur set config pour demander les valeurs d’impédance pour tous les canaux.

Si une électrode a une impédance supérieure à cinq kilo ohms, insérez à nouveau l’aiguille et tressez un peu plus le cuir chevelu pour renforcer la connexion. Vérifiez ensuite à nouveau l’impédance. La casquette EEG est maintenant prête pour l’enregistrement.

Pour commencer, configurez le système informatique pour le mode double écran. Démarrez BCI 2000 à partir du lanceur BCI 2000 en sélectionnant votre module source d’amplificateur, le module de traitement du signal factice et le module de présentation du stimulus. Ajoutez les fichiers de paramètres de votre sujet, l’amplificateur et les tâches de filtrage du moteur, que vous devez configurer à l’avance pendant la session, l’écran est vide ou affiche une instruction telle que la main droite, la main gauche, les deux mains ou les deux pieds pendant trois secondes à la fois.

Au cours de chaque mouvement de trois secondes, le sujet doit imaginer en permanence le mouvement indiqué. Les mouvements de la main doivent être l’ouverture et la fermeture des mains comme si l’on serrait une balle de tennis, et les mouvements du pied devraient être de déplacer les pieds d’avant en arrière comme si vous appuyiez sur une pédale d’accélérateur avec les deux pieds. Lorsque l’écran est vide, le sujet doit complètement détendre le corps pendant une course.

Répétez chaque partie du corps 20 fois et effectuez cinq courses pour un total de cent points de données. Vous pouvez maintenant analyser les données pour déterminer les caractéristiques EEG uniques à chaque mouvement d’imagination. Maintenant que vous avez terminé de collecter les données de dépistage, il est temps d’utiliser l’outil d’analyse hors ligne BCI 2000 pour déterminer les caractéristiques du signal EEG que les utilisateurs sont capables de moduler volontairement.

L’outil d’analyse hors ligne convertit le signal EEG dans le domaine fréquentiel où vous pouvez déterminer quels canaux et quelles caractéristiques fréquentielles du signal ont été corrélés au maximum avec les tâches. Pour commencer l’analyse, démarrez le programme de laboratoire de mathématiques et accédez au dossier d’analyse hors ligne BCI 2000, puis démarrez le programme. Utilisez le programme pour déterminer quelles caractéristiques EEG sont fortement corrélées à chaque mouvement.

Pour chaque mouvement, tracez les données, puis trouvez les graphiques avec les valeurs R carré les plus élevées ou la corrélation la plus forte. Vous pouvez ensuite utiliser les canaux et les groupes de fréquences avec les valeurs R carré les plus élevées comme signaux de contrôle pour déplacer le curseur dans une direction particulière. Par exemple, configurez des fonctionnalités qui changent pour la condition de la main droite afin de déplacer le curseur vers le côté droit de l’écran.

Lors de l’analyse de vos données, assurez-vous que les canaux et les fréquences choisis sont cohérents avec les propriétés connues des rythmes sensori-moteurs corticaux. Par exemple, vous devriez voir des changements significatifs correspondant à un mouvement imaginaire de la main droite sur le cortex moteur controlatéral près de C3 et CP trois, et centré près de huit à 12 hertz et / ou 18 à 28 hertz respectivement. Si ces emplacements et valeurs sont différents, alors vous avez probablement mesuré du bruit ou un effet aléatoire et ne devez pas configurer ce rythme particulier comme fonction de contrôle.

Pour chaque condition, choisissez le numéro de canal et les groupes de fréquences avec les quatre plus grandes valeurs R au carré. Avec ces valeurs en main, vous pouvez configurer le système pour la tâche de contrôle du curseur. Maintenant que vous avez déterminé les caractéristiques corrélées à chaque mouvement Imagine, il est temps de configurer le système BCI pour utiliser ces fonctionnalités afin de contrôler le mouvement du curseur.

Tout d’abord, nous allons configurer la session de mouvement du curseur dans le lanceur BCI 2000 en sélectionnant votre module source d’amplificateur, votre module de traitement du signal AR et votre module de tâche. Tout d’abord, configurez le filtre spatial avec une référence de moyenne commune. Pour ce faire, appuyez sur config dans l’opérateur BCI 2000 pour afficher la liste des paramètres et appuyez sur l’onglet de filtrage.

Accédez au filtrage spatial et remplacez la liste déroulante du type de filtre spatial par référence moyenne commune ou CAR sous filtre spatial, sortie CAR. Répertoriez les noms ou numéros de canal que vous avez sélectionnés lors de la session d’étalonnage. Ensuite, configurez la matrice de classification pour utiliser les entités que vous avez sélectionnées sous l’onglet de filtrage.

Allez dans le paramètre du classificateur et appuyez sur modifier la matrice. Définissez le nombre de colonnes sur quatre et le nombre de lignes sur le nombre total d’entités sélectionnées. Chaque ligne de matrice correspond à une caractéristique individuelle.

Dans la première colonne, entrez tous les noms de chaîne. Dans la deuxième colonne, entrez les intervalles de fréquences que vous avez sélectionnés pour contrôler chaque mouvement. Dans la troisième colonne, le canal de sortie entre le mouvement du curseur contrôlé par la fonction.

Une valeur de un correspond à un mouvement horizontal et deux correspond à un mouvement vertical. Les canaux C3, CP trois, C quatre et CP quatre doivent être réglés à un pour le contrôle horizontal du curseur. Les tâches C3 CP trois, C quatre, CP quatre et CZ doivent être réglées sur deux pour une tâche de contrôle des malédictions verticales.

Enfin, dans la quatrième colonne, entrez le poids de la caractéristique, qui correspond à la direction opposée prévue. Par exemple, pour déplacer le curseur vers la droite, vous devez attendre C3 et CP trois comme moins un, et pour le déplacer vers la gauche, vous devez attendre C quatre et CP quatre comme un. De même, pour déplacer le curseur vers le bas, vous devez attendre CZ et CPZ comme un, et pour déplacer le curseur vers le haut, vous devez attendre C3 et C quatre comme moins un.

Maintenant que vous avez configuré le système avec les paramètres corrects, il est temps de démarrer la tâche expérimentale. Effectuez les essais dans une pièce faiblement éclairée avec une chaise confortable pour le sujet. Pendant les essais, le sujet doit réduire ses mouvements au minimum.

Pour réduire les artefacts, il y aura des pauses entre les épreuves. Pour les premiers essais, contraignez le curseur à l’axe de la cible. C’est-à-dire que si la cible est en haut ou en bas, il n’est possible de déplacer le curseur que vers le haut ou vers le bas, et s’il se trouve à gauche ou à droite de l’écran, le sujet ne peut déplacer le curseur que vers la gauche ou la droite.

L’une des cibles apparaît pendant une seconde. Le curseur apparaît au milieu de l’écran. Le sujet dispose alors de cinq secondes pour utiliser les mouvements imaginés appropriés pour diriger le curseur vers la cible.

Si le sujet atteint la cible, il change de couleur après cinq secondes sans tirer, le temps d’expiration de la session et est compté comme un échec. Après l’essai, il y a un intervalle de deux secondes entre les essais pendant lequel le sujet peut se détendre, cligner des yeux, avaler ou réajuster ses positions après 20 essais, VCI 2000 entre dans un état suspendu. Pendant ce temps, vous devrez peut-être réajuster certains paramètres si le sujet ne peut pas déplacer le curseur.

Si, après quatre exécutions, le sujet ne peut toujours pas déplacer le curseur, vous devrez peut-être réanalyser les données collectées dans l’outil d’analyse hors ligne BCI 2000. Sélectionnez les nouveaux canaux et fréquences en fonction des nouveaux tracés de fonctionnalités. Cela peut prendre plusieurs essais ou éventuellement plusieurs séances avant qu’un sujet puisse devenir compétent dans la tâche.

Ces images montrent les valeurs R carrées et la topographie du cuir chevelu pour la procédure d’étalonnage, indiquant les canaux et les groupes de fréquences à sélectionner. Pour le contrôle du curseur, un sujet entraîné doit être capable de déplacer rapidement le curseur sur la cible affichée en une ou deux secondes. Nous venons de vous montrer comment configurer une interface cerveau-ordinateur pour collecter des EEG et entraîner un utilisateur à contrôler un curseur virtuel en utilisant son activité cérébrale.

Il est important de se rappeler qu’il peut falloir beaucoup de formation pour que quelqu’un apprenne à utiliser ce système, mais avec un peu de persévérance, presque tout le monde peut apprendre à le faire. Donc c’est tout. Merci d’avoir regardé et bonne chance dans vos expériences.