Name: Korzystanie z interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do wirtualnego ruchu kursora za pomocą BCI2000 (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-29T16:58:00.000+00:00
Duration: 12 min 7 s
Description: Poznaj metodę konfiguracji interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do sterowania kursorem za pomocą wyobrażonych ruchów. Film demonstruje kalibrację systemu, dobór elektrod i trening użytkownika w środowisku BCI2000.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01 Program Szkoleń z zakresu Neuroinżynierii Klinicznej (1 T90 DK070079-01) Wallace H Coulter Foundation NIH Institutional Clinical and Translational Science Award NIH/NCRR 1KL2RR025012-01 Wisconsin Alumni Research Foundation

Procedura eksperymentalna
<ol>
<li>Podłączanie elektrod EEG<ol>
<li>Elektrody zostaną przymocowane do skóry głowy za pomocą czepka EEG; ułatwia to zapewnienie prawidłowego rozmieszczenia elektrod na skórze głowy zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20.</li>
<li>Aby założyć czepek, należy zaznaczyć wierzchołek (vertex) na skórze głowy badanego za pomocą pisaka lub innej podobnej metody. W tym celu należy najpierw zlokalizować nasion oraz inion u badanego. Za pomocą miary należy wyznaczyć odległość między tymi dwoma punktami. Punkt znajdujący się w połowie tej odległości (50%) jest wierzchołkiem. Należy w tym miejscu postawić znak do późniejszego wykorzystania. Inne punkty systemu 10-20 można zlokalizować w podobny sposób.</li>
<li>Należy odnaleźć elektrodę Cz na czepku i umieścić ją na wierzchołku. Trzymając Cz w stałej pozycji, należy nasunąć czepek na głowę. Należy upewnić się, że elektrody Fz, Cz i Pz znajdują się na linii środkowej skóry głowy, elektrody O1-O2 są poziomo i w jednej linii z Oz, a Fp1-Fp2 są w jednej linii z Fpz.</li>
<li>Następnie należy podłączyć elektrodę referencyjną, która zazwyczaj jest mocowana do płatka ucha.</li>
<li>W dalszej kolejności elektrody wypełnia się żelem przewodzącym, aby zapewnić niski kontakt impedancyjny ze skórą głowy. W tym celu żel nabiera się do małej strzykawki z tępą igłą. Pomocne może być również obserwowanie przebiegów EEG na ekranie komputera podczas nakładania żelu, aby sprawdzić jakość połączenia.</li>
<li>Należy wprowadzić igłę do elektrody i delikatnie zetrzeć naskórek z powierzchni skóry głowy igłą, aby usunąć martwe komórki. Elektrodę należy wypełnić niewielką ilością żelu, uważając, aby jej nie przepełnić. Należy zacząć od referencyjnej elektrody ucha, a następnie powtórzyć czynność dla wszystkich elektrod, w tym elektrody uziemiającej.</li>
<li>Należy sprawdzić impedancje dla wszystkich kanałów; każda z nich powinna być mniejsza niż 5 kΩ. Metoda ta różni się w zależności od stosowanego systemu wzmacniacza, ale sprawdzenie impedancji powinno być możliwe albo sprzętowo, albo poprzez BCI2000.</li>
<li>Jeśli impedancja elektrody przekracza 5 kΩ, należy ponownie wprowadzić igłę i jeszcze raz zetrzeć naskórek. Dodatkowe wstrzykiwanie żelu nie powinno być konieczne, chyba że impedancja nie maleje.</li>
</ol></li>
<li>Pozyskiwanie cech kalibracyjnych EEG<ol>
<li>Na początku sesji, szczególnie podczas pierwszego testu badanego, warto określić cechy EEG, które mogą być wykorzystane do sterowania BCI. Dzieje się tak dlatego, że choć podstawowe właściwości rytmów EEG Mu i Beta są takie same u wszystkich ludzi, cechy te różnią się od osoby do osoby i dlatego muszą zostać skalibrowane przed rozpoczęciem jakichkolwiek innych eksperymentów.</li>
<li>Podczas sesji kalibracyjnej badany otrzymuje instrukcję, aby wyobrażać sobie różne ruchy dłoni lub stóp w odpowiedzi na sygnały wizualne prezentowane na monitorze. Przed rozpoczęciem system komputerowy powinien zostać skonfigurowany w trybie dwóch monitorów, tak aby ekran badacza zawierał oprogramowanie sterujące, a drugi monitor wyświetlał obraz eksperymentalny.</li>
<li>Uruchom BCI2000 z poziomu BCI2000Launcher, wybierając moduł źródła wzmacniacza, moduł ARSignalProcessing oraz moduł StimulusPresentation. W tym przykładzie używamy modułu gUSBampSource, który steruje wzmacniaczem g.USBamp.</li>
<li>Dodaj pliki parametrów dla badanego, wzmacniacza oraz zadań przesiewowych motoryki. Powinny one zostać skonfigurowane wcześniej, aby można było je po prostu załadować i rozpocząć eksperyment.</li>
<li>Po dodaniu plików parametrów do listy plików w BCI2000Launcher należy nacisnąć przycisk Launch. Jeśli wszystko przebiegło prawidłowo, BCI2000 powinno wystartować, powinien pojawić się przebieg danych EEG, a monitor badanego powinien pozostać pusty przed rozpoczęciem eksperymentu.</li>
<li>Podczas sesji ekran będzie albo pusty, albo wyświetli instrukcję, taką jak „Prawa ręka”, „Lewa ręka”, „Obie ręce” lub „Obie stopy”. Instrukcja będzie wyświetlana przez 3 s; w tym czasie badany powinien nieprzerwanie wyobrażać sobie ruch. Ruchy dłoni powinny polegać na otwieraniu i zamykaniu dłoni (np. jakby ściskało się piłkę tenisową), a ruch stóp na przemieszczaniu ich w przód i w tył (np. jakby naciskano oboma stopami pedał gazu). Gdy ekran jest pusty, ciało powinno być całkowicie rozluźnione.</li>
<li>W trakcie jednego przebiegu każda część ciała jest powtarzana 20 razy. Idealnie powinno być 100 punktów danych, co oznacza łącznie 5 przebiegów. Przy wielu sesjach konieczna jest mniejsza liczba przebiegów, ponieważ badany staje się sprawniejszy w wykonywaniu wyobrażonego zadania.</li>
</ol></li>
<li>Analiza cech EEG<ol>
<li>Aby określić, które cechy EEG badany jest w stanie świadomie modulować w celu sterowania BCI, dane kalibracyjne analizuje się offline za pomocą narzędzia BCI2000 Offline Analysis, dołączonego do BCI2000. Narzędzie to konwertuje zebrane dane na cechy w dziedzinie częstotliwości, co pozwala wskazać częstotliwości i lokalizacje, które zmieniały się podczas różnych ruchów i są maksymalnie skorelowane z zadaniami. Cechy te mogą następnie zostać wykorzystane w eksperymencie BCI.</li>
<li>Aby określić, których cech należy użyć, uruchom narzędzie BCI2000 Offline Analysis. BCI2000 zawiera obszerny samouczek dotyczący korzystania z narzędzia analizy, z którym należy się zapoznać w celu uzyskania szerszych informacji.</li>
<li>Określ, które cechy EEG są silnie skorelowane z każdym ruchem, szukając wysokich wartości r-kwadrat na wykresach generowanych przez narzędzie analizy. Kanały i przedziały częstotliwości o największych wartościach r-kwadrat (np. większych niż 0,2) mogą zostać wybrane jako komponenty sygnału sterującego dla danego kierunku. Na przykład cechy, które zmieniają się dla warunku „Prawa ręka”, powinny zostać ustawione tak, aby przesuwać kursor na prawą stronę ekranu.</li>
<li>Należy również pamiętać, że amplituda rytmów Mu/Beta maleje podczas powiązanego z nimi ruchu. Zatem, aby przesunąć kursor w prawo, czyli w dodatnim kierunku osi x, cecha ta powinna mieć przypisaną wagę ujemną.</li>
<li>Wybrane kanały i częstotliwości powinny być zgodne ze znanymi właściwościami korowych rytmów sensoryczno-motorycznych. Oznacza to, że istotne zmiany odpowiadające wyobrażonemu ruchowi prawej ręki powinny być widoczne nad contralateralną (lewą) korą motorową, w pobliżu C3 i CP3, i być scentrowane wokół 8-12 Hz i/lub 18-28 Hz. Podobnie, ruchy lewej ręki powinny skutkować zmianami nad prawą korą motorową na elektrodach C4 i CP4, a ruchy stóp powinny pojawić się nad Cz i CPz. Jeśli lokalizacje i wartości te są inne, prawdopodobnie zmierzono jakiś inny szum lub efekt losowy i nie powinny one być konfigurowane jako cecha sterująca.</li>
<li>Dla każdego warunku należy wybrać cztery największe wartości r-kwadrat pod kątem numeru kanału i numeru przedziału. Częstotliwości są ułożone w przedziałach 2 Hz, więc cecha z wysokim r-kwadrat w zakresie 10-12 Hz pojawi się w przedziale 6. Mając te wartości, można skonfigurować system do zadania sterowania kursorem.</li>
</ol></li>
<li>Konfiguracja sesji sprzężenia zwrotnego online<ol>
<li>Skonfiguruj sesję ruchu kursora w BCI2000 Launcher.</li>
<li>Przed rozpoczęciem eksperymentu należy skonfigurować kilka parametrów. Po pierwsze, filtr przestrzenny powinien zostać skonfigurowany z referencją średniej wspólnej (common-average reference). Aby to zrobić, naciśnij Config w operatorze BCI2000, aby wyświetlić listę ustawień, a następnie przejdź do karty Filtering.</li>
<li>Przejdź do SpatialFiltering i zmień rozwijaną listę SpatialFilterType na „Common-Average Reference (CAR)”.</li>
<li>W polu SpatialFilter CAR Output wymień nazwy lub numery kanałów wybranych podczas sesji kalibracyjnej. Możesz na przykład wpisać „C3 CP3 C4 CP4 Cz CPz” (bez cudzysłowu), a BCI2000 rozpozna, których kanałów użyć (pod warunkiem, że etykiety kanałów są wymienione w polu „Channel Names” w karcie Source).</li>
<li>Następnie należy skonfigurować macierz klasyfikacji, aby korzystała z wybranych cech. W karcie Filtering przejdź do parametru Classifier i naciśnij Edit Matrix.</li>
<li>Liczba kolumn powinna być ustawiona na 4, a liczba wierszy powinna być równa całkowitej liczbie wybranych cech. Każdy wiersz macierzy odpowiada pojedynczej cechy.</li>
<li>Pierwsza kolumna powinna zawierać wszystkie używane nazwy kanałów, np. C3, C4 itd. Druga kolumna zawiera przedziały wybrane do sterowania. Można wprowadzić numer przedziału lub konkretną częstotliwość; wpisanie „6” lub „11Hz” wybierze ten sam przedział, pod warunkiem, że parametr BinWidth w karcie Source wynosi „2 Hz”. Trzecia kolumna to kanał wyjściowy; wartość „1” odpowiada ruchowi poziomemu, a „2” ruchowi pionowemu. Kanały C3, CP3, C4 i CP4 powinny być ustawione na 1 dla zadania poziomego sterowania kursorem; C3, CP3, C4, CP4, Cz i CPz powinny być ustawione na 2 dla zadania pionowego sterowania kursorem. Wreszcie czwarta kolumna zawiera wagę cechy i powinna odpowiadać kierunkowi przeciwnemu do zamierzonego, np. C3 i CP3 powinny mieć wagę -1, aby przesuwać kursor w prawo, a C4 i CP4 wagę 1, aby przesuwać go w lewo. Aby przesunąć kursor w dół, Cz i CPz powinny mieć wagę 1, a aby przesunąć go w górę, C3 i C4 powinny mieć wagę -1.</li>
</ol></li>
<li>Zadanie ruchu kursora<ol>
<li>Po skonfigurowaniu systemu z odpowiednimi ustawieniami można rozpocząć zadanie eksperymentalne.</li>
<li>System jest skonfigurowany tak, aby podczas próby pojawił się jeden z czterech celów. Zadaniem badanego jest przesunięcie kursora do właściwego celu za pomocą wyobrażonych ruchów odpowiadających pożądanemu kierunkowi ruchu (np. prawa ręka, aby przesunąć w prawo, stopy, aby przesunąć w dół itd.).</li>
<li>W pierwszych próbach kursor jest ograniczony do osi celu. Oznacza to, że jeśli cel znajduje się na górze lub na dole, możliwe jest tylko przesuwanie kursora w górę lub w dół, a jeśli znajduje się po lewej lub prawej stronie ekranu, kursor można przesuwać tylko w lewo lub w prawo.</li>
<li>Po rozpoczęciu przebiegu na ekranie przez 2 sekundy pojawia się litera „T”. Następnie przez 1 sekundę pojawia się jeden z celów.</li>
<li>Po tym 1-sekundowym okresie kursor pojawia się na środku ekranu. Badany wykorzystuje odpowiednie wyobrażone ruchy, aby skierować kursor do celu. Jeśli badany trafi w cel, ten zmienia kolor. W przeciwnym razie badany ma 5 sekund na trafienie w cel, zanim sesja wygaśnie i zostanie uznana za nieudaną.</li>
<li>Po próbie następuje 2-sekundowy odstęp między próbami, podczas którego badany może się rozluźnić, mrugnąć, przełknąć ślinę lub w inny sposób skorygować pozycję. Podczas prób ruchy powinny być ograniczone do absolutnego minimum, aby zredukować artefakty ruchowe lub mięśniowe. Korzystne jest również siedzenie w słabo oświetlonym pomieszczeniu w wygodnym krześle.</li>
<li>Po 20 próbach BCI2000 przechodzi w stan zawieszenia. W tym czasie może być konieczna korekta niektórych ustawień, jeśli badany nie jest w stanie przesuwać kursora.</li>
<li>Jeśli po 4 przebiegach badany nadal nie potrafi świadomie przesuwać kursora, może być konieczne ponowne przeanalizowanie zebranych danych w narzędziu BCI2000 Offline Analysis. Należy wybrać nowe kanały i częstotliwości na podstawie nowych wykresów cech. Może być wymaganych kilka przebiegów lub nawet kilka sesji, zanim badany opanuje zadanie.</li>
</ol></li>
</ol>
Część 6: Reprezentatywne wyniki:
<ol>
<li>Ryciny 1 i 2 przedstawiają wartości r-kwadrat oraz topografię skóry głowy dla procedury kalibracji, wskazując, które kanały i przedziały częstotliwości należy wybrać do sterowania kursorem.</li>
<li>Przeszkolony badany powinien być w stanie szybko przenieść kursor do wskazanego celu w ciągu 1 lub 2 sekund.</li>
</ol>
<img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig1.jpg" alt="Mapa aktywności mózgu, analiza spektralna EEG, wykresy częstotliwość-amplituda, przetwarzanie sygnałów neuronalnych." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rys. 1">
Rycina 1 A) i B) Topografia zmian widmowych w pasmie 10-12 Hz podczas rzeczywistych i wyobrażonych ruchów prawą ręką. C) Widmo mocy w kanale C3 podczas spoczynku (linia przerywana) i ruchu (linia ciągła). D) Współczynnik r-kwadrat mocy podczas ruchu w porównaniu do spoczynku.
<img src="/files/ftp_upload/1319/1319fig2.jpg" alt="Mapa ciepła analizy spektralnej, częstotliwość względem kanału, przedstawiająca zakodowaną kolorami siłę sygnału, wykres." data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Ryc. 2">
Rycina 2 Współczynnik r-kwadrat dla wszystkich kanałów w przypadku wyobrażonego ruchu prawej ręki. Oś X przedstawia częstotliwość w przedziałach 2 Hz od 0 do 70 Hz. Oś Y przedstawia numer kanału. Najwyższe wartości r-kwadrat odnotowano w kanałach 9, 10, 17, 18 i 19, które obejmują obszar kory motorycznej przeciwległy do obsługiwanej ręki.

<ol><li>Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+eeg+activity+into+cursor+movement+by+a+brain-computer+interface+%28bci%29%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+transactions+on+neural+systems+and+rehabilitation+engineering%22%5BJournal%5D)">Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci).</a> IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12 (3), 331-338 (2004).</li>
<li>Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+a+two-dimensional+movement+signal+by+a+noninvasive+brain-computer+interface+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 101 (51), 17849-17854 (2004).</li>
<li>Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bci2000%3A+a+general-purpose+brain-computer+interface+%28BCI%29+system%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+transactions+on+bio-medical+engineering%22%5BJournal%5D)">Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system.</a> IEEE transactions on bio-medical engineering. 51 (6), 1034-1043 (2004).</li>
</ol>

<ol>
<li>Kluczowe jest, aby impedancja elektrod była niska, jednak nie należy używać nadmiernej ilości żelu w celu jej obniżenia. Pojedynczy kanał o złej jakości może wpłynąć na wszystkie pozostałe poprzez wspólną referencję uśrednioną (common-average reference). Jeśli po kilku próbach impedancja nie ulegnie zmniejszeniu, zaleca się zastosowanie elektrody szybkiego wkładu, którą można po prostu wsunąć w miejsce wadliwej elektrody przez otwór służący do wstrzykiwania żelu, a następnie przymocować taśmą.</li>
<li>Podczas pierwszej sesji badany mo...

<table><tbody><tr><td>System wzmacniacza kompatybilny z BCI2000</td><td>g.USBamp</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.gtect.at&quot;&gt;http://www.gtect.at&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>System wzmacniacza kompatybilny z BCI2000</td><td>Tucker-Davis Technologies</td><td>Rx5 lub Rx7</td><td>&lt;a href=&quot;http://www.tdt.com&quot;&gt;http://www.tdt.com&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>czepka EEG</td><td>Electro-cap International</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.electro-cap.com&quot;&gt;http://www.electro-cap.com&lt;/a&gt;&lt;br/&gt;Czapka powinna posiadać co najmniej elektrody rozmieszczone nad obszarami odpowiedzialnymi za ruchy rąk i stóp (C3, C4 oraz Cz). Do kontroli (CP3, CP4, CPz) oraz do filtrowania przestrzennego, co poprawi jakość sygnału, można wykorzystać dodatkowe kanały.</td></tr><tr><td>Żel przewodzący</td><td>Electro-cap International</td><td></td><td>&lt;a href=&quot;http://www.electro-cap.com&quot;&gt;http://www.electro-cap.com&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>komputer osobisty</td><td></td><td></td><td>System operacyjny Windows XP lub Vista (minimum Pentium 4, 2 GHz, 1 GB RAM)</td></tr><tr><td>Dwa monitory</td><td></td><td></td><td>Każdy o rozmiarze co najmniej 19 cali (jeden dla badanego i jeden dla badacza)</td></tr></tbody></table>

wykorzystanie interfejsu mózg-komputer opartego na eeg do wirtualnego poruszania kursorem przy użyciu bci2000

Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000

Interfejs mózg-komputer (BCI) funkcjonuje poprzez tłumaczenie sygnału neuronalnego, takiego jak elektroencefalogram (EEG), na sygnał, który może być wykorzystany do sterowania komputerem lub innym urządzeniem. Amplituda sygnałów EEG w wybranych przedziałach częstotliwości jest mierzona i przekształcana w komendę sterującą urządzeniem, w tym przypadku w poziomą i pionową prędkość kursora komputerowego. W pierwszej kolejności elektrody EEG są mocowane do skóry głowy użytkownika za pomocą czepek w celu rejestracji aktywności mózgu. Następnie przeprowadza się procedurę kalibracji, aby zidentyfikować elektrody EEG oraz cechy, które użytkownik nauczy się dobrowolnie modulować w celu obsługi BCI. U ludzi moc w pasmach częstotliwości mu (8–12 Hz) i beta (18–28 Hz) ulega zmniejszeniu podczas rzeczywistego lub wyobrażonego ruchu. Zmiany te mogą być wykrywane w EEG w czasie rzeczywistym i wykorzystywane do sterowania BCI ([1],[2]). W związku z tym, podczas testu przesiewowego, użytkownik jest proszony o wykonanie kilku różnych wyobrażonych ruchów dłońmi i stopami, aby określić unikalne cechy EEG, które zmieniają się podczas tych ruchów. Wyniki tej kalibracji wskażą najlepsze kanały do wykorzystania, które zostaną skonfigurowane tak, aby zmiany amplitudy w pasmach częstotliwości mu i beta przesuwały kursor poziomo lub pionowo. W tym eksperymencie do sterowania akwizycją sygnału, przetwarzaniem sygnałów oraz sprzężeniem zwrotnym dla użytkownika wykorzystano ogólny system BCI BCI2000 [3].

W tym filmie prezentujemy kroki niezbędne do przeprowadzenia eksperymentu z wykorzystaniem interfejsu mózg-komputer, w tym zakładanie czepka EEG, kalibrację systemu oraz trening użytkownika w zakresie poruszania kursorem w dwóch wymiarach za pomocą ruchów wyobrażeniowych.

Wykorzystanie interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do wirtualnego poruszania kursorem przy użyciu BCI2000

Interfejs mózg-komputer (BCI) działa poprzez tłumaczenie sygnału neuronalnego, takiego jak elektroencefalogram (EEG), na sygnał, który może zostać wykorzystany do...

Interfejs mózg-komputer, znany jako BCI, działa poprzez tłumaczenie sygnału neuronalnego, takiego jak elektroencefalogram (EEG), na sygnał, który może być wykorzystany do sterowania komputerem lub innym urządzeniem. Procedura rozpoczyna się od założenia badanemu na skórę głowy czepka z elektrodami EEG w celu rejestracji aktywności mózgu. Następnie badany zostaje poproszony o wyobrażenie sobie kilku ruchów dowolnych dłońmi i stopami; w tym czasie przeprowadzana jest procedura kalibracji, która analizuje charakterystykę zapisu EEG uzyskanego w wyniku tego procesu.Wartości R-kwadrat oraz tomografia skóry głowy mogą zostać wykorzystane do określenia, które elektrody i przedziały częstotliwości posłużą do sterowania kursorem na ekranie komputera. Dzięki temu badani będą mogli szybko przesuwać kursor w obszary docelowe za pomocą samej myśli. Cześć, nazywam się Adam Wilson i pracuję w laboratorium Justina Williamsa w Katedrze Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.Dzisiaj przedstawię procedurę rejestracji aktywności mózgu zwaną elektroencefalografią lub EEG, służącą do sterowania aplikacją interfejsu mózg-komputer. Zacznijmy zatem. Protokół ten rozpoczyna się od podłączenia elektrod EEG do skóry głowy badanego za pomocą czepka EEG, który pozycjonuje elektrody zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20.Aby prawidłowo dopasować czepek do skóry głowy badanego, należy za pomocą pisaka zaznaczyć nasion, czyli punkt przecięcia kości czołowej z kośćmi nosowymi, oraz inion, będący największą wypukłością kości potylicznej. Należy wyznaczyć i zaznaczyć punkt znajdujący się w połowie odległości między nasion a inion. Położenie to nazywa się vertex.Zlokalizuj elektrodę CZ na czepku i umieść ją na wierzchołku głowy. Trzymając CZ w stałej pozycji, naciągnij czepek na głowę. Upewnij się, że elektrody FCz, CZ i PZ znajdują się na linii środkowej skóry głowy, że elektrody od O1 do O2 są poziome i wyrównane z OZ, a FP1 i FP2 są wyrównane z FPZ.Następnie należy przymocować elektrodę referencyjną, która zazwyczaj jest mocowana do płatka ucha. Po prawidłowym rozmieszczeniu elektrod należy upewnić się, że uzyskano odpowiedni kontakt elektryczny ze skórą głowy. W tym celu do małej strzykawki z igłą tępą nabiera się najpierw żel przewodzący.Następnie włóż igłę do elektrody i delikatnie zeskrob skórę głowy za pomocą igły, aby usunąć martwy naskórek. Rozpocznij od elektrody referencyjnej na uchu i powtórz czynność dla wszystkich pozostałych elektrod, w tym elektrody uziemiającej, a następnie napełnij elektrodę niewielką ilością żelu. Należy uważać, aby nie napełnić jej zbyt mocno.Sprawdź impedancję wszystkich kanałów, która powinna wynosić mniej niż 5 kΩ. Metoda postępowania zależy od stosowanego systemu wzmacniacza. W przypadku wzmacniacza GUSB w systemie BCI 2000 należy zmienić parametr trybu akwizycji na „impedance” i nacisnąć „set config”, aby odczytać wartości impedancji dla wszystkich kanałów.Jeśli impedancja elektrody jest większa niż 5 kΩ, należy ponownie wprowadzić igłę i dodatkowo zetrzeć naskórek, aby wzmocnić połączenie. Następnie należy ponownie sprawdzić impedancję. Teraz czepek EEG jest gotowy do rejestracji.Aby rozpocząć, skonfiguruj system komputerowy w trybie dwóch monitorów. Uruchom program BCI 2000 za pomocą programu uruchamiającego BCI 2000, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału dummy oraz moduł prezentacji bodźców. Dodaj pliki parametrów dla badanego, wzmacniacza oraz zadań przesiewowych motorycznych, które należy skonfigurować wcześniej; podczas sesji ekran pozostaje pusty lub wyświetla instrukcję, taką jak prawa ręka, lewa ręka, obie ręce lub obie stopy, przez trzy sekundy na raz.Podczas każdego trzysekundowego ruchu badany powinien stale wyobrażać sobie wskazany ruch. Ruchy dłoni powinny polegać na otwieraniu i zamykaniu dłoni, podobnie jak przy ściskaniu piłki tenisowej, a ruchy stóp na przesuwaniu stóp do przodu i do tyłu, podobnie jak przy naciskaniu pedału gazu obiema stopami. Gdy ekran jest pusty, badany powinien całkowicie rozluźnić ciało podczas serii.Powtórz każdą część ciała 20 razy i przeprowadź pięć serii, aby uzyskać łącznie sto punktów danych. Teraz można przeanalizować dane w celu określenia cech EEG charakterystycznych dla każdego wyobrażonego ruchu. Po zakończeniu zbierania danych przesiewowych należy użyć narzędzia do analizy offline BCI 2000, aby ustalić, które cechy sygnału EEG użytkownicy są w stanie modulować dobrowolnie.Narzędzie do analizy offline konwertuje sygnał EEG do dziedziny częstotliwości, co pozwala określić, które kanały i które cechy częstotliwościowe sygnału były najsilniej skorelowane z zadaniami. Aby rozpocząć analizę, uruchom program math lab, przejdź do folderu analizy offline BCI 2000, a następnie uruchom aplikację. Użyj programu, aby ustalić, które cechy EEG są silnie skorelowane z każdym z ruchów.Dla każdego ruchu nanieś dane na wykres, a następnie znajdź wykresy z największymi wartościami R-kwadrat lub najsilniejszą korelacją. Następnie kanały i przedziały częstotliwości z największymi wartościami R-kwadrat można wykorzystać jako sygnały sterujące do przesuwania kursora w określonym kierunku. Na przykład skonfiguruj cechy, które zmieniają się w przypadku ruchu prawej ręki, aby przesuwać kursor na prawą stronę ekranu.Podczas analizy danych należy upewnić się, że wybrane kanały i częstotliwości są zgodne ze znanymi właściwościami korowych rytmów sensoryczno-motorycznych. Na przykład w przypadku wyobrażonego ruchu prawej ręki powinny być widoczne istotne zmiany nad przeciwległą korą ruchową w pobliżu C3 i CP3, z centrami odpowiednio w zakresie od 8 do 12 Hz oraz od 18 do 28 Hz. Jeśli lokalizacje i wartości te są inne, prawdopodobnie zmierzono szum lub efekt losowy i nie należy konfigurować tego konkretnego rytmu jako cechy kontrolnej.Dla każdego stanu wybierz numer kanału oraz przedziały częstotliwości z czterema najwyższymi wartościami R-squared. Dysponując tymi wartościami, można skonfigurować system do zadania sterowania kursorem. Po ustaleniu cech skorelowanych z każdym wyobrażonym ruchem, należy ustawić system BCI tak, aby wykorzystywał te cechy do sterowania ruchem kursora.W pierwszej kolejności skonfigurujemy sesję ruchu kursora w programie BCI 2000 launcher, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału AR oraz moduł zadania. Najpierw należy skonfigurować filtr przestrzenny z referencją wspólnej średniej (common average reference). Aby to zrobić, naciśnij przycisk config w panelu operatora BCI 2000, aby wyświetlić listę ustawień, a następnie przejdź do karty filtering.Przejdź do filtrowania przestrzennego i w rozwijanym polu typu filtra przestrzennego wybierz wspólną referencję średnią (common average reference) lub CAR w sekcji filtr przestrzenny, wyjście CAR. Wymień nazwy lub numery kanałów wybranych podczas sesji kalibracyjnej. Następnie skonfiguruj macierz klasyfikacyjną, aby korzystała z cech wybranych w zakładce filtrowania.Przejdź do parametru klasyfikatora i wybierz opcję edytuj macierz. Ustaw liczbę kolumn na cztery, a liczbę wierszy na całkowitą liczbę wybranych cech. Każdy wiersz macierzy odpowiada pojedynczej cease.W pierwszej kolumnie wpisz wszystkie nazwy kanałów. W drugiej kolumnie wpisz przedziały częstotliwości wybrane do sterowania każdym ruchem. W trzeciej kolumnie, kanał wyjściowy, wpisz ruch kursora sterowany przez daną cechę.Wartość jeden odpowiada ruchowi poziomemu, a wartość dwa ruchowi pionowemu. Kanały C3, CP3, C4 i CP4 należy ustawić na jeden w celu poziomego sterowania kursorem. Zadanie C3, CP3, C4, CP4 i CZ należy ustawić na dwa w celu pionowego sterowania kursorem.Na koniec, w czwartej kolumnie, wprowadź wagę cechy, która odpowiada przeciwnemu zamierzonemu kierunkowi. Na przykład, aby przesunąć kursor w prawo, należy ustawić C3 i CP3 jako minus one, a aby przesunąć go w lewo, należy ustawić C4 i CP4 jako one. Podobnie, aby przesunąć kursor w dół, należy ustawić CZ i CPZ jako one, a aby przesunąć kursor w górę, należy ustawić C3 i C4 jako minus one.Po skonfigurowaniu systemu z odpowiednimi ustawieniami można przystąpić do zadania eksperymentalnego. Próby należy przeprowadzać w słabo oświetlonym pomieszczeniu, zapewniając badanemu wygodne krzesło. Podczas prób badany powinien ograniczyć ruchy do minimum.Aby ograniczyć występowanie artefaktów, pomiędzy próbami zostaną wprowadzone przerwy. W pierwszych próbach należy ograniczyć ruch kursora do osi celu. Oznacza to, że jeśli cel znajduje się na górze lub na dole, możliwe jest poruszanie kursorem wyłącznie w górę lub w dół, a jeśli znajduje się on po lewej lub prawej stronie ekranu, badany może poruszać kursorem tylko w lewo lub w prawo.Jeden z celów pojawia się na jedną sekundę. Kursor pojawia się na środku ekranu. Następnie badany ma pięć sekund na zastosowanie odpowiednich wyobrażonych ruchów, aby skierować kursor w stronę celu.Jeśli badany trafi w cel, zmienia on kolor po pięciu sekundach; w przypadku braku trafienia następuje przekroczenie czasu sesji i zdarzenie jest liczone jako chybienie. Po próbie następuje dwusekundowy odstęp między próbami, podczas którego badany może odpocząć, mrugnąć, przełknąć ślinę lub w inny sposób skorygować pozycję. Po 20 próbach urządzenie VCI 2000 przechodzi w stan zawieszenia. W tym czasie może być konieczna korekta niektórych ustawień, jeśli badany nie jest w stanie poruszać kursorem.Jeśli po czterech próbach badany nadal nie może poruszać kursorem, może być konieczna ponowna analiza zebranych danych w narzędziu do analizy offline BCI 2000. Należy wybrać nowe kanały i częstotliwości na podstawie nowych wykresów cech. Osiągnięcie przez badanego biegłości w zadaniu może wymagać kilku prób lub nawet kilku sesji.Obrazy te przedstawiają wartości R-kwadrat oraz topografię skóry głowy dla procedury kalibracji, wskazując, które kanały i przedziały częstotliwości należy wybrać. W przypadku sterowania kursorem, przeszkolony badany powinien być w stanie szybko przesunąć kursor do wskazanego celu w ciągu jednej lub dwóch sekund. Przedstawiliśmy właśnie sposób konfiguracji interfejsu mózg-komputer w celu rejestracji sygnałów EEG oraz przeszkolenia użytkownika w sterowaniu wirtualnym kursorem za pomocą aktywności mózgu.Należy pamiętać, że nauka obsługi tego systemu może wymagać wielu ćwiczeń, ale dzięki wytrwałości niemal każdy jest w stanie go opanować. To wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.

using-an-eeg-based-brain-computer-interface-for-virtual-cursor

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

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

Przedstawiamy metodę pozyskiwania sygnałów elektrokortykograficznych do celów badawczych u ludzi poddawanych inwazyjnemu monitorowaniu epilepsji. Pokazujemy, jak wykorzystać platformę programową BCI2000 do zbierania danych, przetwarzania sygnałów oraz prezentacji bodźców. W szczególności prezentujemy SIGFRIED, narzędzie oparte na BCI2000 służące do funkcjonalnego mapowania mózgu w czasie rzeczywistym.

Rejestracja ludzkich sygnałów elektrokortykograficznych (ECoG) w badaniach neuronaukowych i funkcjonalnym mapowaniu kory mózgowej w czasie rzeczywistym

Opracowanie skutecznego systemu interfejsu mózg-maszyna-(BMI) do przywracania i rehabilitacji dwunożnej lokomocji wymaga dokładnego dekodowania intencji użytkownika.  W tym miejscu przedstawiamy nowatorski protokół eksperymentalny i technikę zbierania danych do jednoczesnego nieinwazyjnego nabywania aktywności neuronalnej, aktywności mięśni i kinematyki całego ciała podczas różnych zadań i warunków lokomocyjnych.

Jednoczesna elektroencefalografia skóry głowy (EEG), elektromiografia (EMG) i segmentalny zapis inercyjny całego ciała do multimodalnego dekodowania neuronalnego

W tym artykule przedstawiono nowatorski, tani interfejs człowiek-maszyna do interaktywnego systemu rehabilitacji równowagi po udarze. System integruje gotowe, niedrogie czujniki w kierunku wolicjonalnie sterowanego paradygmatu elektroterapii. Interfejs oprogramowania typu proof-of-concept jest demonstrowany na zdrowych ochotnikach.

Interfejs człowiek-maszyna integrujący niedrogie czujniki z systemem stymulacji elektrycznej nerwowo-mięśniowej do rehabilitacji równowagi po udarze

Ogólnym celem tej metody jest ustanowienie eksperymentalnej procedury opartej na SSVEP poprzez integrację wielu programów komputerowych, aby umożliwić badanie interakcji mózg-robot z robotami humanoidalnymi, co jest perspektywiczne w pomaganiu chorym i starszym, a także wykonywaniu niehigienicznych lub niebezpiecznych prac.

Eksperymentalna procedura oparta na SSVEP dla interakcji mózg-robot z robotami humanoidalnymi

Dzięki temu eksperymentowi, można wykryć świadomość u osób z zaburzeniami świadomości. Co więcej, podejście to może stworzyć prosty kanał komunikacyjny, który umożliwia ludziom udzielanie prostych odpowiedzi TAK/NIE na pytania.

Ocena i komunikacja dla osób z zaburzeniami świadomości

Prezentujemy protokoły i metody analiz do budowy współadaptacyjnych interfejsów, które strumieniują, parametryzują, analizują i modyfikują sygnały ludzkiego ciała i serca w zamkniętej pętli. Ta konfiguracja łączy sygnały pochodzące z obwodowego i ośrodkowego układu nerwowego osoby z zewnętrznymi bodźcami sensorycznymi, aby pomóc w śledzeniu zmian biofizycznych.

Sterowanie proxy w czasie rzeczywistym ponownie sparametryzowanych sygnałów peryferyjnych za pomocą interfejsu zamkniętej pętli

Ten artykuł omawia, jak zbudować interfejs mózg-komputer, opierając się na sprzęcie klasy konsumenckiej i wizualnie wywoływanych potencjałach w stanie ustalonym. W tym celu jednokanałowy elektroencefalograf wykorzystujący suche elektrody został zintegrowany z okularami rzeczywistości rozszerzonej do prezentacji bodźców i wizualizacji danych wyjściowych. Ostateczny system był nieinwazyjny, przenośny i ubieralny.

Jednokanałowy i nieinwazyjny interfejs mózg-komputer do noszenia na ciele dla przemysłu i opieki zdrowotnej

Celem tego badania jest dostarczenie ważnego punktu odniesienia dla standardowego klinicznego działania interfejsu mózg-komputer (MI-BCI) w dysfunkcjach motorycznych kończyn górnych po udarze.

Obrazowanie ruchowe interfejsu mózg-komputer w rehabilitacji dysfunkcji ruchowych kończyn górnych po udarze mózgu

Obrazy motoryczne w środowisku wirtualnej rzeczywistości mają szerokie zastosowanie w systemach interfejsu mózg-komputer. Manuskrypt ten przedstawia wykorzystanie spersonalizowanych cyfrowych awatarów, które przypominają uczestników wykonujących ruchy wyobrażone przez uczestnika w środowisku rzeczywistości wirtualnej, aby zwiększyć immersję i poczucie posiadania ciała.

Wydajność obrazowania motorycznego dzięki ucieleśnionym cyfrowym bliźniakom w środowisku interfejsu mózg-komputer z obsługą rzeczywistości wirtualnej

To badanie wprowadza system interfejsu mózg-komputer (BCI) dla pacjentów po udarze, który łączy sygnały elektroencefalografii i elektrookulografii w celu kontrolowania ręki robota kończyny górnej, usprawniając codzienne czynności. W ocenie wykorzystano Berliński Dwuręczny Test na Udar Mózgu (BeBiTS).

Sterowany interfejsem mózg-komputer system robotyczny kończyny górnej do usprawniania codziennych czynności u pacjentów po udarze mózgu

Niniejsze badanie przedstawia ustandaryzowany i powtarzalny protokół implementacji narzędzia do analizy EEG przestrzenno-czasowo-częstotliwościowej (STFEEG) do dekodowania EEG obrazów motorycznych, łącząc konfigurowalną segmentację przestrzenno-czasowo-częstotliwościową, ekstrakcję cech opartą na wspólnych wzorcach przestrzennych (CSP), algorytmy wielokrotnej klasyfikacji oraz możliwości wizualizacji.

STFEEG-Tool: narzędzie do analizy EEG przestrzenno-czasowo-częstotliwościowej dla interfejsów mózg-komputer obrazowania motorycznego

Poznaj metodę konfiguracji interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do sterowania kursorem za pomocą wyobrażonych ruchów. Film demonstruje kalibrację systemu, dobór elektrod i trening użytkownika w środowisku BCI2000.

Wykorzystanie interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do wirtualnego poruszania kursorem przy użyciu BCI2000

Przeglądaj więcej filmów