BCI2000と仮想カーソル移動のために脳波ベースのブレインコンピュータインタフェースの使用

ブレインコンピュータインターフェース(BCI)は、脳波やEEGなどの神経信号を、コンピュータやその他のデバイスの制御に使用できる信号に変換することで機能します。この手順は、脳の活動を記録するために、EEG電極キャップを被験者の頭皮に取り付けることから始まります。次に、被験者は手と足でいくつかの自発的な動きを想像するように求められ、その時点でキャリブレーション手順が実行され、キャリブレーション手順の結果としてのEEGの特性が分析されます。

R二乗値と頭皮断層撮影法を使用して、コンピュータ画面上のカーソルをガイドするために使用される電極と周波数ビンを決定できます。その後、被験者は考えるだけでカーソルを目的の領域にすばやく移動できるようになります。こんにちは、私はアダム・ウィルソンで、ウィスコンシン大学マディソン校の生物医学工学科のジャスティン・ウィリアムズ研究室で働いています。

今日は、脳波または脳波と呼ばれる脳活動を記録する手順を共有し、ブレインコンピューターインターフェースアプリケーションを制御します。それでは始めましょう。このプロトコルは、EEG キャップを介して EEG 電極を被験者の頭皮に接続することから開始し、10 20 国際システムに従って電極を配置します。

キャップを被験者の頭皮に正しく配置するには、フェルトペンを使用して、前頭の鼻骨と後頭骨の最大の突起であるインディアンの交差点である鼻に印を付けます。nasnとinionとmarketの中間点を見つけます。この位置は頂点と呼ばれます。

キャップ上のCZ電極を見つけて、CZを固定したまま頂点に配置します。キャップを頭に滑り込ませます。FC czおよびPZ電極が頭皮の正中線上にあること、O OneからO2の電極が水平でozと同じ高さであること、およびFP OneからFP 2がFPZと同じ高さであることを確認してください。

次に、参照電極を取り付けます(通常は耳たぶにクリップで留めます)。電極が適切に配置されたので、頭皮に適切な電気的接触が行われていることを確認する必要があります。これを行うには、導電性ゲルを最初に鈍い端の針を備えた小さな注射器に引き込みます。

次に、針を電極に挿入し、針で頭皮をそっと省略して、古い角質を取り除きます。耳の参照電極から始めて、アースを含むすべての電極について繰り返し、電極に少量のゲルを充填します。いっぱいにしないように注意してください。

すべてのチャネルのインピーダンスを確認します。インピーダンスはすべて 5 キロ オーム未満である必要があります。あなたの方法はあなたのによって異なります amplifierシステム。BCI 2000のGUSBアンプでこれを行うには、アクイジション・モード・パラメータをインピーダンスに変更し、set configを押してすべてのチャンネルのインピーダンス値を照会します。

電極のインピーダンスが5キロオームを超える場合は、針を再度挿入し、頭皮をさらに編んで接続を強化します。次に、インピーダンスを再度確認します。これで、EEGキャップを記録する準備が整いました。

開始するには、コンピュータシステムをデュアルモニタモードに設定します。BCI 2000 ランチャーから BCI 2000 を起動するには、アンプ ソース モジュール、ダミー信号処理モジュール、およびスティミュラス プレゼンテーション モジュールを選択します。あなたの被験者、アンプ、およびセッション中に事前に設定する必要があるモータースクリーニングタスクのパラメータファイルを追加すると、画面が空白になるか、一度に3秒間、右手、左手、両手、または両足などの指示が表示されます。

3秒の動きごとに、被験者は指示された動きを絶えず想像する必要があります。手の動きはテニスボールを握るように手を開閉し、足の動きは両足でアクセルペダルを踏むように足を前後に動かす必要があります。画面が空白の場合、被験者はランニング中に体を完全にリラックスさせる必要があります。

各ボディパーツを20回繰り返し、5回の実行を行い、合計100のデータポイントを実行します。これで、データを分析して、各イマジンモーションに固有のEEGの特徴を特定できます。スクリーニングデータの収集が終了したら、BCI 2000 オフライン解析ツールを使用して、ユーザーが自発的に変調できる EEG 信号の特徴を判断します。

オフライン解析ツールは、EEG信号を周波数領域に変換し、信号内のどのチャネルとどの周波数特徴がタスクと最大限に相関していたかを判断できます。解析を開始するには、数学実習プログラムを開始し、BCI 2000 オフライン解析フォルダに移動して、プログラムを開始します。このプログラムを使用して、各動きと強く相関している脳波の特徴を判断します。

各移動について、データをプロットし、最大のR二乗値または最も強い相関を持つプロットを見つけます。その後、R2 乗値が最大のチャンネルと周波数ビンを制御信号として使用して、カーソルを特定の方向に移動できます。たとえば、カーソルを画面の右側に移動するように、右側の条件で変化する機能を設定します。

データを分析するときは、選択したチャネルと周波数が皮質感覚運動リズムの既知の特性と一致していることを確認してください。たとえば、C3 と CP 3 付近の反対側運動皮質上の想像上の右手の動きに対応し、それぞれ 8 から 12 ヘルツと 18 から 28 ヘルツ付近を中心に大きな変化が見られるはずです。これらの場所と値が異なる場合は、ノイズまたはランダムな効果を測定した可能性があり、その特定のリズムを制御機能として構成しないでください。

条件ごとに、チャネル番号と周波数ビンを選択し、最大の 4 つの R 二乗値を指定します。これらの値を手元に置いて、カーソル制御タスクのシステムを構成することができます。各 Imagine の動きと相関する特徴を特定したので、次は、これらの機能を使用してカーソルの動きを制御するように BCI システムを設定します。

まず、BCI 2000ランチャーで、アンプソースモジュール、AR信号処理モジュール、およびタスクモジュールを選択して、カーソル移動セッションを構成します。まず、共通の平均参照を使用して空間フィルターを構成します。これを行うには、BCI 2000 オペレータの config を押して設定リストを表示し、フィルタリング タブを押します。

空間フィルタリングに移動し、空間フィルターのドロップダウンボックスを共通の平均参照または空間フィルターのCARに変更し、CAR出力を選択します。キャリブレーションセッションで選択したチャンネル名または番号をリストします。次に、[フィルタリング] タブで選択した特徴を使用するように分類マトリックスを構成します。

分類器パラメーターに移動し、マトリックスの編集を押します。列の数を 4 に設定し、行の数を選択したフィーチャの合計数に設定します。各マトリックス行は、個々のフィーチャに対応します。

最初の列に、すべてのチャネル名を入力します。2 番目の列に、各モーションを制御するために選択した周波数ビンを入力します。3 番目の列では、出力チャネルは、フィーチャによって制御されるカーソルの動きを入力します。

値 1 は水平方向の動きに対応し、2 は垂直方向の動きに対応します。チャネルC3、CP 3、C 4、およびCP 4は、水平カーソル制御用に1に設定する必要があります。タスク C3、CP 3、C 4、CP 4、CZ は、垂直呪い制御タスクでは 2 に設定する必要があります。

最後に、4 番目の列に、反対の目的の方向に対応する特徴の重みを入力します。たとえば、カーソルを右に移動するには、C3 と CP 3 をマイナス 1 として待機し、左に移動するには、C 4 と CP 4 を 1 として待機します。同様に、カーソルを下に移動するには、CZとCPZを1つとして待機し、カーソルを上に移動するには、C3とCをマイナス1として待機する必要があります。

正しい設定でシステムを構成したので、実験タスクを開始します。被験者が座りやすい椅子のある薄暗い部屋で試験を実施します。試験中、被験者は動きを最小限に抑える必要があります。

アーティファクトを減らすために、試行間に休憩が入ります。最初の試行では、カーソルをターゲットの軸に拘束します。つまり、ターゲットが上部または下部にある場合、カーソルを上下に動かすことしかできず、画面の左側または右側にある場合、被験者はカーソルを左右にしか動かすことができません。

ターゲットの 1 つが 1 秒間表示されます。カーソルが画面の中央に表示されます。その後、被験者は5秒間、適切な想像上の動きを使用してカーソルをターゲットに向けます。

対象がターゲットに命中すると、5秒間ヒットしないと色が変わり、セッションはタイムアウトになり、ミスとしてカウントされます。試行後、被験者がリラックスしたり、まばたきをしたり、飲み込んだり、または他の方法で位置を再調整したりできる2秒間の試行間隔があり、VCI2000は一時停止状態に入る。この間、被写体がカーソルを移動できない場合は、一部の設定を再調整する必要があります。

4 回実行してもカーソルを移動できない場合は、BCI 2000 オフライン分析ツールで収集したデータを再分析する必要があります。新しい特徴プロットに基づいて新しいチャンネルと周波数を選択します。被験者がタスクに習熟できるようになるまで、数回の実行または場合によっては数回のセッションが必要になる場合があります。

これらの画像は、キャリブレーション手順のR二乗値と頭皮トポグラフィーを示しており、どのチャンネルと周波数ビンを選択すべきかを示しています。カーソル制御のためには、訓練を受けた被験者は、1秒または2秒以内にカーソルを表示されたターゲットにすばやく移動できる必要があります。脳波を収集し、脳活動を使用して仮想カーソルを制御するようにユーザーを訓練するためのブレインコンピュータインターフェースの設定方法を紹介しました。

このシステムの使い方を学ぶには多くのトレーニングが必要になる可能性があることを覚えておくことが重要ですが、ある程度の粘り強さがあれば、ほぼ誰でもそれを学ぶことができます。というわけで、これだけです。ご覧いただきありがとうございます、そしてあなたの実験に頑張ってください。