Korzystanie z interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do wirtualnego ruchu kursora za pomocą BCI2000

Interfejs mózg-komputer lub BCI działa poprzez translację sygnału neuronowego, takiego jak elektroencefalogram lub EEG, na sygnał, który można wykorzystać do sterowania komputerem lub innym urządzeniem. Procedura rozpoczyna się od przymocowania nasadki elektrody EEG do skóry głowy pacjenta w celu rejestrowania aktywności mózgu. Osoba badana jest następnie proszona o wyobrażenie sobie kilku dobrowolnych ruchów rękami i stopami, w którym to czasie wykonywana jest procedura kalibracji, która analizuje charakterystykę EEG w wyniku procedury kalibracji.

Wartości R-kwadrat i tomografia skóry głowy mogą być wykorzystane do określenia, które elektrody i przedziały częstotliwości będą używane do prowadzenia kursora na ekranie komputera. Badani będą wtedy mogli szybko przesunąć kursor do obszarów docelowych, po prostu o tym myśląc. Cześć, nazywam się Adam Wilson i pracuję w laboratorium Justina Williamsa na Wydziale Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.

Dzisiaj podzielę się procedurą rejestrowania aktywności mózgu zwaną elektroencefalogramem lub EEG do sterowania aplikacją interfejsu mózg-komputer. Więc zacznijmy. Protokół ten rozpoczyna się od podłączenia elektrod EEG do skóry głowy pacjenta za pomocą czepka EEG, który ustawia elektrody zgodnie z międzynarodowym systemem 10 20.

Aby prawidłowo umieścić czapkę na skórze głowy badanego, użyj pisaka, aby zaznaczyć nasiono, które jest przecięciem kości czołowej nosa i indyjskiego, największego występu kości potylicznej. Znajdź punkt w połowie drogi między nasn i inion a marketem. To położenie nazywa się wierzchołkiem.

Znajdź elektrodę CZ na nasadce i umieść ją na wierzchołku, utrzymując CZ na stałe. Wsuń nasadkę na głowę. Upewnij się, że elektrody FC cz i PZ znajdują się na linii środkowej skóry głowy, że elektrody od jednego do O2 są poziome i na poziomie uncji, a od FP jeden do FP dwa są na poziomie FPZ.

Teraz przymocuj elektrodę referencyjną, która zwykle przypina się do płatka ucha. Teraz, gdy elektrody zostały prawidłowo umieszczone, należy upewnić się, że ze skórą głowy jest zapewniony prawidłowy kontakt elektryczny. Aby to zrobić, żel przewodzący jest najpierw pobierany w małej strzykawce z końcem igły.

Następnie włóż igłę do elektrody i delikatnie przetrzyj skórę głowy igłą, aby usunąć martwy naskórek. Zacznij od elektrody referencyjnej ucha i powtórz dla wszystkich elektrod, w tym masy, napełnij elektrodę niewielką ilością żelu. Uważaj, aby go nie przepełnić.

Sprawdź impedancje dla wszystkich kanałów, które powinny być mniejsze niż pięć kiloomów. Twoja metoda będzie się różnić w zależności od amplifier system. Aby to zrobić ze wzmacniaczem GUSB w BCI 2000, zmień parametr trybu akwizycji na impedancję i naciśnij set config, aby zapytać o wartości impedancji dla wszystkich kanałów.

Jeśli elektroda ma impedancję większą niż pięć kiloomów, włóż igłę ponownie i przeciągnij skórę głowy, aby wzmocnić połączenie. Następnie ponownie sprawdź impedancję. Teraz nasadka EEG jest gotowa do zapisu.

Aby rozpocząć, skonfiguruj system komputerowy w trybie dwóch monitorów. Uruchom BCI 2000 z programu uruchamiającego BCI 2000, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału fikcyjnego i moduł prezentacji bodźców. Dodaj pliki parametrów dla pacjenta, wzmacniacza i zadań przesiewowych silnika, które należy skonfigurować z wyprzedzeniem podczas sesji, ekran jest albo pusty, albo wyświetla instrukcję, taką jak prawa ręka, lewa ręka, obie ręce lub obie stopy przez trzy sekundy na raz.

Podczas każdego trzysekundowego ruchu badany powinien w sposób ciągły wyobrażać sobie wskazany ruch. Ruchy dłoni powinny otwierać i zamykać dłonie, jak ściskanie piłki tenisowej, a ruchy stóp powinny poruszać stopami do przodu ido tyłu, jak naciskanie pedału gazu obiema stopami. Gdy ekran jest pusty, osoba badana powinna całkowicie zrelaksować ciało podczas biegu.

Powtórz każdą część ciała 20 razy i wykonaj pięć przebiegów, co daje w sumie sto punktów danych. Teraz możesz przeanalizować dane, aby określić cechy EEG unikalne dla każdego wyobrażonego ruchu. Teraz, po zakończeniu zbierania danych przesiewowych, nadszedł czas, aby użyć narzędzia do analizy offline BCI 2000, aby określić, które cechy sygnału EEG użytkownicy są w stanie dobrowolnie modulować.

Narzędzie do analizy offline konwertuje sygnał EEG na dziedzinę częstotliwości, w której można określić, które kanały i które cechy częstotliwości w sygnale były maksymalnie skorelowane z zadaniami. Aby rozpocząć analizę, uruchom program laboratorium matematycznego i przejdź do folderu analizy offline BCI 2000, a następnie uruchom program. Użyj programu, aby określić, które cechy EEG są silnie skorelowane z każdym ruchem.

Dla każdego ruchu wykreśl dane, a następnie znajdź wykresy z największymi wartościami R-kwadrat lub najsilniejszą korelacją. Następnie możesz użyć kanałów i przedziałów częstotliwości z największymi wartościami R-kwadrat jako sygnałów sterujących, aby przesunąć kursor w określonym kierunku. Na przykład skonfiguruj funkcje, które zmieniają się w zależności od stanu prawej ręki, aby przesunąć kursor na prawą stronę ekranu.

Analizując swoje dane, upewnij się, że wybrane kanały i częstotliwości są zgodne ze znanymi właściwościami korowych rytmów czuciowo-motorycznych. Na przykład, powinieneś zauważyć znaczące zmiany odpowiadające wyobrażonemu ruchowi prawej ręki nad przeciwległą korą ruchową w pobliżu C3 i CP 3 i wyśrodkowane w pobliżu odpowiednio od 8 do 12 Hz i/lub 18 do 28 Hz. Jeśli te lokalizacje i wartości są różne, prawdopodobnie zmierzyłeś hałas lub jakiś losowy efekt i nie powinieneś konfigurować tego konkretnego rytmu jako funkcji sterującej.

Dla każdego warunku wybierz przedziały numeru kanału i częstotliwości z czterema największymi wartościami R-kwadrat. Mając te wartości w ręku, możesz skonfigurować system dla zadania sterowania kursorem. Teraz, gdy już określiłeś cechy skorelowane z każdym ruchem Imagine, nadszedł czas, aby skonfigurować system BCI tak, aby używał tych funkcji do kontrolowania ruchu kursora.

Najpierw skonfigurujemy sesję ruchu kursora w launcherze BCI 2000, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału AR i moduł zadań. Najpierw skonfiguruj filtr przestrzenny ze wspólnym odniesieniem do średniej. W tym celu należy nacisnąć przycisk config w operatorze BCI 2000, aby wyświetlić listę ustawień, a następnie naciśnij kartę filtrowania.

Przejdź do filtrowania przestrzennego i zmień pole rozwijane typu filtru przestrzennego na wspólne odniesienie do średniej lub CAR w obszarze filtr przestrzenny, dane wyjściowe CAR. Wymień nazwy lub numery kanałów, które zostały wybrane podczas sesji kalibracji. Następnie skonfiguruj macierz klasyfikacji tak, aby korzystała z funkcji wybranych na karcie filtrowania.

Przejdź do parametru klasyfikatora i naciśnij edytuj matrycę. Ustaw liczbę kolumn na cztery, a liczbę wierszy na łączną liczbę wybranych obiektów. Każdy wiersz macierzy odpowiada indywidualnej funkcji.

W pierwszej kolumnie wpisz wszystkie nazwy kanałów. W drugiej kolumnie wprowadź przedziały częstotliwości, które wybrałeś do sterowania każdym ruchem. W trzeciej kolumnie kanał wyjściowy wprowadza ruch kursora kontrolowany przez funkcję.

Wartość jeden odpowiada ruchowi poziomemu, a dwa odpowiada ruchowi pionowemu. Kanały C3, CP trzy, C cztery i CP cztery powinny być ustawione na jeden do poziomego sterowania kursorem. Zadanie C3 CP trzy, C cztery, CP cztery i CZ powinny być ustawione na dwa dla zadania kontroli klątwy pionowej.

Na koniec w czwartej kolumnie wprowadź wagę elementu, która odpowiada przeciwnemu zamierzonemu kierunkowi. Na przykład, aby przesunąć kursor w prawo, należy poczekać C3 i CP trzy jako minus jeden, a aby przesunąć go w lewo, należy poczekać C cztery i CP cztery jako jeden. Podobnie, aby przesunąć kursor w dół, należy poczekać CZ i CPZ jako jeden, a aby przesunąć kursor w górę, należy poczekać C3 i C cztery jako minus jeden.

Teraz, gdy skonfigurowałeś system z poprawnymi ustawieniami, nadszedł czas, aby rozpocząć zadanie eksperymentalne. Przeprowadź próby w słabo oświetlonym pomieszczeniu z wygodnym krzesłem dla badanego. Podczas prób pacjent powinien ograniczyć ruch do minimum.

Aby zmniejszyć liczbę artefaktów, będą przerwy między próbami. W przypadku pierwszych prób ogranicz kursor do osi celu. Oznacza to, że jeśli cel znajduje się na górze lub na dole, możliwe jest przesuwanie kursora tylko w górę lub w dół, a jeśli znajduje się po lewej lub prawej stronie ekranu, obiekt może przesuwać kursor tylko w lewo lub w prawo.

Jeden z celów pojawia się na jedną sekundę. Kursor pojawi się na środku ekranu. Badany ma następnie pięć sekund na użycie odpowiednich wyobrażonych ruchów, aby skierować kursor na cel.

Jeśli obiekt trafi w cel, zmienia kolor po pięciu sekundach bez trafienia, upływa limit czasu sesji i jest liczony jako chybienie. Po próbie następuje dwusekundowa przerwa między próbami, podczas której badany może się zrelaksować, mrugać, połknąć lub w inny sposób dostosować pozycje po 20 próbach, VCI 2000 przechodzi w stan zawieszenia. W tym czasie może być konieczne ponowne dostosowanie niektórych ustawień, jeśli obiekt nie może przesunąć kursora.

Jeśli po czterech uruchomieniach obiekt nadal nie może przesunąć kursora, może być konieczne ponowne przeanalizowanie zebranych danych w narzędziu do analizy offline BCI 2000. Wybierz nowe kanały i częstotliwości w oparciu o nowe wykresy obiektów. Może minąć kilka biegów lub nawet kilka sesji, zanim osoba badana stanie się biegła w zadaniu.

Obrazy te pokazują wartości R-kwadrat i topografię skóry głowy dla procedury kalibracji, wskazując, które kanały i przedziały częstotliwości powinny zostać wybrane. W przypadku sterowania kursorem wyszkolony obiekt powinien być w stanie szybko przesunąć kursor do pokazanego celu w ciągu jednej lub dwóch sekund. Właśnie pokazaliśmy, jak skonfigurować interfejs mózg-komputer do zbierania EEG i trenowania użytkownika w sterowaniu wirtualnym kursorem za pomocą aktywności mózgu.

Ważne jest, aby pamiętać, że nauczenie się korzystania z tego systemu może wymagać wielu szkoleń, ale przy odrobinie wytrwałości prawie każdy może się tego nauczyć. Więc to wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.