L'utilizzo di un EEG basato su Brain-Computer Interface permette movimenti del cursore virtuale con BCI2000

Un'interfaccia cervello-computer o BCI funziona traducendo un segnale neurale, come l'elettroencefalogramma o l'EEG, in un segnale che può essere utilizzato per controllare un computer o un altro dispositivo. La procedura inizia attaccando il cappuccio dell'elettrodo EEG al cuoio capelluto del soggetto per registrare l'attività cerebrale. Al soggetto viene quindi chiesto di immaginare diversi movimenti volontari con le mani e i piedi, momento in cui viene eseguita una procedura di calibrazione, che analizza le caratteristiche dell'EEG a seguito della procedura di calibrazione.

I valori R-quadrato e la tomografia del cuoio capelluto possono essere utilizzati per determinare quali elettrodi e intervalli di frequenza verranno utilizzati per guidare un cursore sullo schermo del computer. I soggetti saranno quindi in grado di spostare rapidamente un cursore sulle aree target semplicemente pensandoci. Ciao, sono Adam Wilson e lavoro nel laboratorio di Justin Williams presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università del Wisconsin-Madison.

Oggi condividerò la procedura per la registrazione dell'attività cerebrale chiamata elettroencefalogramma o EEG per il controllo di un'applicazione di interfaccia cervello-computer. Quindi iniziamo. Si inizia questo protocollo collegando gli elettrodi EEG al cuoio capelluto del soggetto attraverso una cuffia EEG, che posiziona gli elettrodi secondo il sistema internazionale 10 20.

Per posizionare correttamente il cappuccio sul cuoio capelluto del soggetto, utilizzare un pennarello per segnare la nasion, che è l'intersezione delle ossa nasali frontali e l'indiano, la più grande sporgenza dell'osso occipitale. Trova il punto a metà strada tra nasn e inion e mercato. Questa posizione è chiamata vertice.

Trova l'elettrodo CZ sul cappuccio e posizionalo sul vertice mantenendo CZ fisso. Infilare il cappuccio sulla testa. Assicurarsi che gli elettrodi FC cz e PZ si trovino sulla linea mediana del cuoio capelluto, che gli elettrodi da O uno a O2 siano orizzontali e a livello di oz e che da FP uno a FP due siano a livello di FPZ.

Ora collega l'elettrodo di riferimento, che in genere si aggancia a un lobo dell'orecchio. Ora che gli elettrodi sono stati posizionati correttamente, è necessario assicurarsi che venga effettuato un contatto elettrico adeguato con il cuoio capelluto. Per fare ciò, il gel conduttivo viene prima aspirato in una piccola siringa con un ago smussato.

Quindi inserire l'ago in un elettrodo e abbra delicatamente il cuoio capelluto con l'ago per rimuovere la pelle morta. Inizia con l'elettrodo di riferimento dell'orecchio e ripeti per tutti gli elettrodi, compresa la terra, riempi l'elettrodo con una piccola quantità di gel. Attenzione a non riempirlo eccessivamente.

Controllare le impedenze per tutti i canali, che dovrebbero essere tutti inferiori a cinque kilo ohm. Il tuo metodo varierà a seconda del tuo sistema di amplificazione. Per fare ciò con l'amplificatore GUSB in BCI 2000, si cambia il parametro della modalità di acquisizione in impedenza e si preme set config per richiedere i valori di impedenza per tutti i canali.

Se un elettrodo ha un'impedenza superiore a cinque kilo ohm, inserire nuovamente l'ago e abradere ancora un po' il cuoio capelluto per rafforzare la connessione. Quindi controllare nuovamente l'impedenza. Ora la cuffia EEG è pronta per la registrazione.

Per iniziare, configurare il computer per la modalità a doppio monitor. Avviare BCI 2000 dal lanciatore BCI 2000 selezionando il modulo sorgente dell'amplificatore, il modulo di elaborazione del segnale fittizio e il modulo di presentazione dello stimolo. Aggiungi i file dei parametri per il soggetto, l'amplificatore e le attività di screening del motore, che dovresti configurare in anticipo durante la sessione, lo schermo è vuoto o visualizza un'istruzione come mano destra, mano sinistra, entrambe le mani o entrambi i piedi per tre secondi alla volta.

Durante ogni movimento di tre secondi, il soggetto dovrebbe immaginare continuamente il movimento indicato. I movimenti delle mani dovrebbero essere l'apertura e la chiusura delle mani come stringere una pallina da tennis, e i movimenti dei piedi dovrebbero muovere i piedi avanti e indietro come premere un pedale dell'acceleratore con entrambi i piedi. Quando lo schermo è vuoto, il soggetto dovrebbe rilassare completamente il corpo durante una corsa.

Ripeti ogni parte del corpo 20 volte ed esegui cinque corse per un totale di cento punti dati. Ora è possibile analizzare i dati per determinare le caratteristiche EEG uniche per ogni movimento immaginario. Ora che hai finito di raccogliere i dati di screening, è il momento di utilizzare lo strumento di analisi offline BCI 2000 per determinare quali caratteristiche del segnale EEG gli utenti sono in grado di modulare volontariamente.

Lo strumento di analisi offline converte il segnale EEG nel dominio della frequenza, dove è possibile determinare quali canali e quali caratteristiche di frequenza nel segnale sono stati correlati al massimo con le attività. Per iniziare l'analisi, avviare il programma di laboratorio matematico e passare alla cartella di analisi non in linea BCI 2000, quindi avviare il programma. Utilizzare il programma per determinare quali caratteristiche EEG sono fortemente correlate con ogni movimento.

Per ogni movimento, traccia i dati, quindi trova i grafici con i valori R al quadrato più grandi o la correlazione più forte. È quindi possibile utilizzare i canali e i contenitori di frequenza con i valori R al quadrato più grandi come segnali di controllo per spostare il cursore di una particolare direzione. Ad esempio, impostare le funzioni che cambiano per la condizione della mano destra per spostare il cursore sul lato destro dello schermo.

Quando analizzi i tuoi dati, assicurati che i canali e le frequenze scelti siano coerenti con le proprietà note dei ritmi motori sensoriali corticali. Ad esempio, si dovrebbero vedere cambiamenti significativi corrispondenti al movimento immaginario della mano destra sulla corteccia motoria controlaterale vicino a C3 e CP tre, e centrato rispettivamente da 8 a 12 hertz e/o da 18 a 28 hertz. Se queste posizioni e valori sono diversi, probabilmente hai misurato il rumore o qualche effetto casuale e non dovresti configurare quel particolare ritmo come funzione di controllo.

Per ogni condizione, scegli il numero del canale e i contenitori di frequenza con i quattro valori R al quadrato più grandi. Con questi valori in mano, è possibile configurare il sistema per l'attività di controllo del cursore. Ora che hai determinato le funzionalità correlate a ogni movimento di Imagine, è il momento di configurare il sistema BCI per utilizzare queste funzionalità per controllare il movimento del cursore.

Innanzitutto, configureremo la sessione di movimento del cursore nel lanciatore BCI 2000 selezionando il modulo sorgente dell'amplificatore, il modulo di elaborazione del segnale AR e il modulo di attività. Innanzitutto, configurare il filtro spaziale con un riferimento di media comune. A tale scopo, premere config nell'operatore BCI 2000 per visualizzare l'elenco delle impostazioni e premere la scheda di filtraggio.

Vai a Filtro spaziale e modifica la casella a discesa del tipo di filtro spaziale in riferimento medio comune o CAR sotto filtro spaziale, output CAR. Elencare i nomi o i numeri dei canali selezionati nella sessione di calibrazione. Quindi, configurare la matrice di classificazione per utilizzare le funzionalità selezionate nella scheda di filtro.

Vai al parametro del classificatore e premi modifica matrice. Impostare il numero di colonne su quattro e il numero di righe sul numero totale di funzioni selezionate. Ogni riga della matrice corrisponde a una singola caratteristica.

Nella prima colonna, inserisci tutti i nomi dei canali. Nella seconda colonna, inserisci i contenitori di frequenza che hai selezionato per controllare ogni movimento. Nella terza colonna, il canale di uscita entra nel movimento del cursore controllato dalla funzione.

Un valore pari a uno corrisponde al movimento orizzontale e due corrisponde al movimento verticale. I canali C3, CP tre, C quattro e CP quattro devono essere impostati su uno per il controllo orizzontale del cursore. L'attività C3, CP tre, C quattro, CP quattro e CZ dovrebbe essere impostata su due per un'attività di controllo della maledizione verticale.

Infine, nella quarta colonna, inserisci lo spessore della funzione, che corrisponde alla direzione opposta a quella prevista. Ad esempio, per spostare il cursore a destra, è necessario attendere C3 e CP tre come meno uno, e per spostarlo a sinistra, è necessario attendere C quattro e CP quattro come uno. Allo stesso modo, per spostare il cursore verso il basso, è necessario attendere CZ e CPZ come uno, e per spostare il cursore verso l'alto, è necessario attendere C3 e C quattro come meno uno.

Ora che hai configurato il sistema con le impostazioni corrette, è il momento di iniziare l'attività sperimentale. Conduci le prove in una stanza scarsamente illuminata con una sedia comoda per il soggetto. Durante le prove, il soggetto deve ridurre al minimo i movimenti.

Per ridurre gli artefatti, ci saranno delle pause tra le prove. Per le prime prove, vincolare il cursore all'asse del bersaglio. Cioè, se il bersaglio si trova in alto o in basso, è possibile spostare il cursore solo verso l'alto o verso il basso, e se si trova a sinistra o a destra dello schermo, il soggetto può spostare il cursore solo a sinistra o a destra.

Uno dei bersagli appare per un secondo. Il cursore appare al centro dello schermo. Il soggetto ha quindi cinque secondi per utilizzare i movimenti immaginari appropriati per dirigere il cursore verso il bersaglio.

Se il soggetto colpisce il bersaglio, cambia colore dopo cinque secondi senza un colpo, la sessione scade e viene conteggiato come mancato. Dopo la prova, c'è un intervallo di due secondi tra le prove durante il quale il soggetto può rilassarsi, sbattere le palpebre, deglutire o riaggiustare in altro modo le posizioni dopo 20 prove, VCI 2000 entra in uno stato sospeso. Durante questo periodo, potrebbe essere necessario regolare nuovamente alcune impostazioni se il soggetto non è in grado di spostare il cursore.

Se dopo quattro esecuzioni il soggetto non è ancora in grado di spostare il cursore, potrebbe essere necessario analizzare nuovamente i dati raccolti nello strumento di analisi offline BCI 2000. Selezionare i nuovi canali e le nuove frequenze in base ai nuovi grafici delle funzioni. Potrebbero essere necessarie diverse esecuzioni o forse diverse sessioni prima che un soggetto possa diventare esperto nel compito.

Queste immagini mostrano i valori R-quadrato e la topografia del cuoio capelluto per la procedura di calibrazione, indicando quali canali e intervalli di frequenza devono essere selezionati. Per il controllo del cursore, un soggetto addestrato dovrebbe essere in grado di spostare rapidamente il cursore sul bersaglio mostrato entro uno o due secondi. Ti abbiamo appena mostrato come configurare un'interfaccia cervello-computer per raccogliere EEG e per addestrare un utente a controllare un cursore virtuale utilizzando la sua attività cerebrale.

È importante ricordare che può essere necessaria molta formazione per imparare a usare questo sistema, ma con un po' di perseveranza, quasi chiunque può imparare a farlo. Quindi questo è tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i tuoi esperimenti.