BCI2000로 가상 커서 움직임을위한 EEG 기반 뇌 - 컴퓨터 인터페이스를 사용하여

뇌 컴퓨터 인터페이스 또는 BCI는 뇌파 또는 EEG와 같은 신경 신호를 컴퓨터나 기타 장치를 제어하는 데 사용할 수 있는 신호로 변환하여 작동합니다. 절차는 뇌 활동을 기록하기 위해 EEG 전극 캡을 피험자의 두피에 부착하는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 피험자에게 손과 발로 여러 가지 자발적인 움직임을 상상하도록 요청하고, 이때 보정 절차가 수행되어 보정 절차의 결과로 EEG의 특성을 분석합니다.

R-제곱 값과 두피 단층 촬영을 사용하여 컴퓨터 화면에서 커서를 안내하는 데 사용할 전극과 주파수 빈을 결정할 수 있습니다. 그러면 피험자는 생각만 해도 커서를 목표 영역으로 빠르게 이동할 수 있습니다. 안녕하세요, 저는 위스콘신-매디슨 대학의 의생명공학과의 저스틴 윌리엄스 연구실에서 일하는 아담 윌슨입니다.

오늘 저는 뇌 컴퓨터 인터페이스 응용 프로그램을 제어하기 위해 뇌파 또는 EEG라고 하는 뇌 활동을 기록하는 절차를 공유하려고 합니다. 시작하겠습니다. EEG 캡을 통해 EEG 전극을 피험자의 두피에 연결하는 것으로 이 프로토콜을 시작하며, 이는 10 20 국제 시스템에 따라 전극을 배치합니다.

피험자의 두피에 뚜껑을 올바르게 씌우려면 펠트 펜을 사용하여 전두골과 후두골의 가장 큰 돌출부인 인디언 코뼈의 교차점인 나시온을 표시하십시오. nasn과 inion과 시장 사이의 중간 지점을 찾습니다. 이 위치를 정점이라고 합니다.

캡에서 CZ 전극을 찾아 정점에 놓고 CZ를 고정 상태로 유지합니다. 캡을 머리에 끼웁니다. FC cz 및 PZ 전극이 두피의 정중선에 있는지, O 1에서 O2 전극이 수평이고 oz와 수평인지, FP 1에서 FP 2가 FPZ와 수평인지 확인합니다.

이제 일반적으로 귓불에 고정되는 참조 전극을 부착합니다. 이제 전극이 적절하게 배치되었으므로 두피에 적절한 전기 접촉이 이루어졌는지 확인해야 합니다. 이 전도성 젤을 먼저 뭉툭한 끝 바늘이 있는 작은 주사기에 넣습니다.

그런 다음 바늘을 전극에 삽입하고 바늘로 두피를 부드럽게 압브라하여 각질을 제거합니다. 귀 참조 전극부터 시작하여 접지를 포함한 모든 전극에 대해 반복하고 전극에 소량의 젤을 채웁니다. 과도하게 채우지 않도록 주의하십시오.

모든 채널의 임피던스를 확인하십시오.이 모든 채널은 모두 5kg 옴 미만이어야합니다. 방법은 앰프 시스템에 따라 다릅니다. BCI 2000에서 GUSB 앰프를 사용하여 이렇게 하려면 수집 모드 매개변수를 임피던스로 변경하고 set config를 눌러 모든 채널의 임피던스 값을 조회합니다.

전극의 임피던스가 5킬로옴보다 크면 바늘을 다시 삽입하고 두피를 좀 더 절제하여 연결을 강화합니다. 그런 다음 임피던스를 다시 확인하십시오. 이제 EEG 캡을 기록할 준비가 되었습니다.

시작하려면 컴퓨터 시스템을 듀얼 모니터 모드로 구성합니다. 증폭기 소스 모듈, 더미 신호 처리 모듈 및 자극 프레젠테이션 모듈을 선택하여 BCI 2000 런처에서 BCI 2000을 시작합니다. 주제, 증폭기 및 모터 스크리닝 작업에 대한 매개변수 추가 세션에서 미리 구성해야 하는 작업, 화면이 비어 있거나 한 번에 3초 동안 오른손, 왼손, 양손 또는 양발과 같은 지시가 표시됩니다.

3초마다 각 3개의 움직임 동안, 피험자는 지시된 움직임을 계속해서 상상해야 한다. 손의 움직임은 테니스 공을 쥐는 것처럼 손을 열고 닫는 것이어야 하고, 발의 움직임은 양발로 가속 페달을 밟는 것처럼 발을 앞뒤로 움직여야 합니다. 화면이 비어 있을 때, 피험자는 달리는 동안 몸을 완전히 이완시켜야 한다.

각 신체 부위를 20회 반복하고 총 100개의 데이터 포인트에 대해 5번의 실행을 수행합니다. 이제 데이터를 분석하여 각 상상 동작에 고유한 EEG 기능을 확인할 수 있습니다. 이제 스크리닝 데이터 수집을 마쳤으므로 BCI 2000 오프라인 분석 도구를 사용하여 사용자가 자발적으로 조절할 수 있는 EEG 신호의 특징을 확인할 차례입니다.

오프라인 분석 도구는 EEG 신호를 주파수 도메인으로 변환하여 신호의 어떤 채널과 어떤 주파수 특징이 작업과 최대로 상관관계가 있는지 확인할 수 있습니다. 분석을 시작하려면 수학 실험 프로그램을 시작하고 BCI 2000 오프라인 분석 폴더로 이동한 다음 프로그램을 시작합니다. 프로그램을 사용하여 어떤 EEG 특징이 각 움직임과 강한 상관관계가 있는지 확인하십시오.

각 이동에 대해 데이터를 표시한 다음 R-제곱 값이 가장 크거나 상관 관계가 가장 강한 그림을 찾습니다. 그런 다음 R-제곱 값이 가장 큰 채널과 주파수 빈을 제어 신호로 사용하여 커서를 특정 방향으로 이동할 수 있습니다. 예를 들어, 커서를 화면의 오른쪽으로 이동하도록 오른쪽 조건에 대해 변경되는 기능을 설정합니다.

데이터를 분석할 때는 선택한 채널과 주파수가 대뇌피질 감각 운동 리듬의 알려진 속성과 일치하는지 확인하십시오. 예를 들어, C3 및 CP 3 부근에서 대변 운동 피질에 대한 상상된 오른손 움직임에 해당하는 상당한 변화를 볼 수 있어야 하며, 각각 8-12 헤르츠 및 18-28 헤르츠 부근에 중심을 두고 있습니다. 이러한 위치와 값이 다르면 노이즈 또는 임의의 효과를 측정했을 수 있으므로 해당 특정 리듬을 제어 기능으로 구성해서는 안 됩니다.

각 조건에 대해 가장 큰 R-제곱 값 4개를 갖는 채널 번호와 주파수 빈을 선택합니다. 이러한 값을 사용하여 커서 제어 작업을 위해 시스템을 구성할 수 있습니다. 이제 각 Imagine 이동과 상관 관계가 있는 기능을 확인했으므로 이러한 기능을 사용하여 커서 이동을 제어하도록 BCI 시스템을 설정할 차례입니다.

먼저 증폭기 소스 모듈, AR 신호 처리 모듈 및 작업 모듈을 선택하여 BCI 2000 런처에서 커서 이동 세션을 구성합니다. 먼저 공통 평균 참조로 공간 필터를 구성합니다. 이렇게 하려면 BCI 2000 연산자에서 config를 눌러 설정 목록을 불러온 다음 필터링 탭을 누릅니다.

공간 필터링으로 이동하여 공간 필터 유형 드롭다운 상자를 공간 필터, CAR 출력에서 일반 평균 참조 또는 CAR로 변경합니다. 보정 세션에서 선택한 채널 이름 또는 번호를 나열합니다. 다음으로, 필터링 탭에서 선택한 기능을 사용하도록 분류 매트릭스를 구성합니다.

classifier 파라미터로 이동하여 edit matrix를 누릅니다. 열 수를 4로 설정하고 행 수를 선택한 총 피처 수로 설정합니다. 각 행렬 행은 개별 특징에 해당합니다.

첫 번째 열에 모든 채널 이름을 입력합니다. 두 번째 열에는 각 모션을 제어하기 위해 선택한 주파수 bin을 입력합니다. 세 번째 열에서 출력 채널은 기능에 의해 제어되는 커서 이동을 입력합니다.

값 1은 수평 이동에 해당하고 2는 수직 이동에 해당합니다. 채널 C3, CP 3, C 4 및 CP four는 수평 커서 제어를 위해 1로 설정해야 합니다. 수직 저주 제어 작업을 위해 작업 C3, CP 3, C 4, CP 4 및 CZ를 2로 설정해야 합니다.

마지막으로, 네 번째 열에서 의도된 반대 방향에 해당하는 기능 가중치를 입력합니다. 예를 들어, 커서를 오른쪽으로 이동하려면 C3과 CP 3을 마이너스 1로 대기해야 하고, 왼쪽으로 이동하려면 C 4와 CP 4를 1로 기다려야 합니다. 마찬가지로 커서를 아래로 이동하려면 CZ와 CPZ를 하나로 대기해야 하고, 커서를 위로 이동하려면 C3과 C 4를 마이너스 1로 기다려야 합니다.

이제 올바른 설정으로 시스템을 구성했으므로 실험 작업을 시작할 차례입니다. 피험자를 위한 편안한 의자가 있는 희미한 방에서 실험을 수행합니다. 재판이 진행되는 동안, 피험자는 움직임을 최소화해야 한다.

아티팩트를 줄이기 위해 시도 사이에 휴식이 있습니다. 첫 번째 시도의 경우 커서를 대상의 축으로 제한합니다. 즉, 대상이 맨 위 또는 맨 아래에 있는 경우 커서를 위 또는 아래로만 이동할 수 있으며, 화면의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는 경우 피사체는 커서를 왼쪽이나 오른쪽으로만 이동할 수 있습니다.

표적 중 하나가 1초 동안 나타납니다. 커서가 화면 중앙에 나타납니다. 그런 다음 피험자는 커서를 목표물로 향하게 하기 위해 적절한 상상의 움직임을 사용할 수 있는 5초의 시간이 주어진다.

피험자가 목표물에 명중하면 5초 후에 명중하지 않고 색상이 변경되고 세션 시간이 초과되며 빗나간 것으로 계산됩니다. 재판이 끝난 후, 피험자가 긴장을 풀거나, 눈을 깜빡이거나, 삼키거나, 자세를 재조정할 수 있는 2초의 재판 간 간격이 있으며, 20번의 시행 후 VCI 2000은 정지 상태로 들어갑니다. 이 시간 동안 피사체가 커서를 이동할 수 없는 경우 일부 설정을 다시 조정해야 할 수 있습니다.

네 번 실행한 후에도 피험자가 여전히 커서를 이동할 수 없으면 BCI 2000 오프라인 분석 도구에서 수집된 데이터를 다시 분석해야 할 수 있습니다. 새 피처 플롯을 기반으로 새 채널과 주파수를 선택합니다. 피험자가 작업에 능숙해지기까지 여러 번 실행하거나 여러 세션이 필요할 수 있습니다.

이 이미지는 보정 절차에 대한 R-제곱 값과 두피 지형을 보여주며, 어떤 채널과 주파수 bin을 선택해야 하는지 나타냅니다. 커서 제어의 경우, 훈련된 피험자는 1초 또는 2초 이내에 커서를 표시된 대상으로 빠르게 이동할 수 있어야 합니다. 우리는 EEG를 수집하기 위해 뇌 컴퓨터 인터페이스를 구성하는 방법과 사용자가 뇌 활동을 사용하여 가상 커서를 제어하도록 훈련시키는 방법을 보여주었습니다.

누군가가이 시스템을 사용하는 방법을 배우려면 많은 훈련이 필요할 수 있지만 약간의 끈기가 있으면 거의 모든 사람이이를 배울 수 있다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 그게 다야. 시청해 주셔서 감사드리며 실험에 행운을 빕니다.