Usando um EEG-Based Interface Cérebro-Computador para Movimento do Cursor Virtual com BCI2000

Uma interface cérebro-computador ou BCI funciona traduzindo um sinal neural, como o eletroencefalograma ou EEG, em um sinal que pode ser usado para controlar um computador ou outro dispositivo. O procedimento começa anexando a tampa do eletrodo de EEG ao couro cabeludo do sujeito para registrar a atividade cerebral. O sujeito é então solicitado a imaginar vários movimentos voluntários com as mãos e os pés, momento em que é realizado um procedimento de calibração, que analisa as características do EEG como resultado do procedimento de calibração.

Os valores do R-quadrado e a tomografia do couro cabeludo podem ser usados para determinar quais eletrodos e caixas de frequência serão usados para guiar um cursor na tela do computador. Os sujeitos poderão então mover um cursor rapidamente para as áreas-alvo apenas pensando nisso. Olá, sou Adam Wilson e trabalho no laboratório Justin Williams no Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Wisconsin-Madison.

Hoje estarei compartilhando o procedimento para registrar a atividade cerebral chamado eletroencefalograma ou EEG para controlar um aplicativo de interface cérebro-computador. Então vamos começar. Você começa este protocolo conectando eletrodos de EEG ao couro cabeludo do sujeito por meio de uma tampa de EEG, que posiciona os eletrodos de acordo com o sistema internacional 10 20.

Para posicionar corretamente a tampa no couro cabeludo do sujeito, use uma caneta hidrográfica para marcar o násio, que é a intersecção dos ossos nasais frontais e o indiano, a maior saliência do osso occipital. Encontre o ponto intermediário entre nasn e inion e mercado. Essa posição é chamada de vértice.

Encontre o eletrodo CZ na tampa e posicione-o no vértice Mantendo CZ fixo. Deslize a tampa na cabeça. Certifique-se de que os eletrodos FC cz e PZ estejam na linha média do couro cabeludo, que os eletrodos de O um a O2 estejam horizontais e nivelados com oz e que FP um a FP dois estejam nivelados com FPZ.

Agora conecte o eletrodo de referência, que normalmente se prende ao lóbulo da orelha. Agora que os eletrodos foram colocados corretamente, deve-se garantir que o contato elétrico adequado seja feito com o couro cabeludo. Para fazer isso, o gel condutor é primeiro extraído em uma pequena seringa com uma agulha de ponta romba.

Em seguida, insira a agulha em um eletrodo e suavemente abra o couro cabeludo com a agulha para remover qualquer pele morta. Comece com o eletrodo de referência da orelha e repita para todos os eletrodos, incluindo o terra, encha o eletrodo com uma pequena quantidade de gel. Cuidado para não enchê-lo demais.

Verifique as impedâncias de todos os canais, que devem ser inferiores a cinco quilo ohms. Seu método irá variar dependendo do seu sistema de amplificação. Para fazer isso com o GUSB amp no BCI 2000, você alterará o parâmetro do modo de aquisição para impedância e pressionará set config para consultar os valores de impedância para todos os canais.

Se um eletrodo tiver uma impedância superior a cinco quilo ohms, insira a agulha novamente e abranja o couro cabeludo um pouco mais para fortalecer a conexão. Em seguida, verifique a impedância novamente. Agora a tampa do EEG está pronta para gravação.

Para começar, configure o sistema do computador para o modo de monitor duplo. Inicie o BCI 2000 a partir do lançador BCI 2000 selecionando seu ampmódulo de fonte do amplificador, o módulo de processamento de sinal fictício e o módulo de apresentação de estímulo. Adicione os parâmetros files para o seu assunto, o amplifier e as tarefas de triagem do motor, que você deve configurar com antecedência durante a sessão, a tela fica em branco ou exibe uma instrução como mão direita, mão esquerda, ambas as mãos ou ambos os pés por três segundos de cada vez.

Durante cada movimento de três segundos, o sujeito deve imaginar continuamente o movimento indicado. Os movimentos das mãos devem abrir e fechar as mãos como apertar uma bola de tênis, e os movimentos dos pés devem mover os pés para frente e para trás, como pressionar um pedal do acelerador com os dois pés. Quando a tela está em branco, o sujeito deve relaxar completamente o corpo durante uma corrida.

Repita cada parte do corpo 20 vezes e execute cinco execuções para um total de cem pontos de dados. Agora você pode analisar os dados para determinar as características do EEG exclusivas para cada movimento de imagem. Agora que você terminou de coletar os dados de triagem, é hora de usar a ferramenta de análise offline BCI 2000 para determinar quais recursos no sinal de EEG os usuários são capazes de modular voluntariamente.

A ferramenta de análise offline converte o sinal de EEG no domínio da frequência, onde você pode determinar quais canais e quais recursos de frequência no sinal foram correlacionados ao máximo com as tarefas. Para iniciar a análise, inicie o programa de laboratório de matemática e navegue até a pasta de análise offline BCI 2000 e, em seguida, inicie o programa. Use o programa para determinar quais características do EEG estão fortemente correlacionadas com cada movimento.

Para cada movimento, plote os dados e, em seguida, encontre os gráficos com os maiores valores de R-quadrado ou correlação mais forte. Você pode então usar os canais e caixas de frequência com os maiores valores de R-quadrado como sinais de controle para mover o cursor em uma direção específica. Por exemplo, configure recursos que mudam para a condição da mão direita para mover o cursor para o lado direito da tela.

Ao analisar seus dados, certifique-se de que os canais e frequências escolhidos sejam consistentes com as propriedades conhecidas dos ritmos sensório-motores corticais. Por exemplo, você deve ver mudanças significativas correspondentes ao movimento imaginado da mão direita sobre o córtex motor contralateral perto de C3 e CP três, e centrado perto de oito a 12 hertz e / ou 18 a 28 hertz, respectivamente. Se esses locais e valores forem diferentes, provavelmente você mediu o ruído ou algum efeito aleatório e não deve configurar esse ritmo específico como um recurso de controle.

Para cada condição, escolha o número do canal e os compartimentos de frequência com os quatro maiores valores de R-quadrado. Com esses valores em mãos, você pode configurar o sistema para a tarefa de controle do cursor. Agora que você determinou os recursos correlacionados com cada movimento do Imagine, é hora de configurar o sistema BCI para usar esses recursos para controlar o movimento do cursor.

Primeiro, configuraremos a sessão de movimento do cursor no iniciador BCI 2000 selecionando seu módulo de fonte de amplificador, módulo de processamento de sinal AR e módulo de tarefa. Primeiro, configure o filtro espacial com uma referência de média comum. Para fazer isso, pressione config no operador BCI 2000 para abrir a lista de configurações e pressione a guia de filtragem.

Vá para filtragem espacial e altere a caixa suspensa do tipo de filtro espacial para referência de média comum ou CAR em filtro espacial, saída CAR. Liste os nomes ou números de canal que você selecionou na sessão de calibração. Em seguida, configure a matriz de classificação para usar os recursos selecionados na guia de filtragem.

Vá para o parâmetro do classificador e pressione editar matriz. Defina o número de colunas para quatro e o número de linhas para o número total de feições selecionadas. Cada linha de matriz corresponde a um recurso individual.

Na primeira coluna, insira todos os nomes dos canais. Na segunda coluna, insira os compartimentos de frequência que você selecionou para controlar cada movimento. Na terceira coluna, o canal de saída insere o movimento do cursor controlado pelo recurso.

Um valor de um corresponde ao movimento horizontal e dois corresponde ao movimento vertical. Os canais C3, CP três, C quatro e CP quatro devem ser definidos como um para controle horizontal do cursor. Tarefa C3 CP três, C quatro CP quatro e CZ devem ser definidos como dois para uma tarefa de controle de maldição vertical.

Finalmente, na quarta coluna, insira a espessura do recurso, que corresponde à direção oposta pretendida. Por exemplo, para mover o cursor para a direita, você deve esperar C3 e CP três como menos um, e para movê-lo para a esquerda, você deve esperar C quatro e CP quatro como um. Da mesma forma, para mover o cursor para baixo, você deve esperar CZ e CPZ como um, e para mover o cursor para cima, você deve esperar C3 e C quatro como menos um.

Agora que você configurou o sistema com as configurações corretas, é hora de iniciar a tarefa experimental. Conduza os testes em uma sala mal iluminada com uma cadeira confortável para o sujeito. Durante os testes, o sujeito deve manter o movimento ao mínimo.

Para reduzir os artefatos, haverá intervalos entre os testes. Para as primeiras tentativas, restrinja o cursor ao eixo do destino. Ou seja, se o alvo estiver na parte superior ou inferior, só é possível mover o cursor para cima ou para baixo, e se estiver à esquerda ou à direita da tela, o sujeito só pode mover o cursor para a esquerda ou para a direita.

Um dos alvos aparece por um segundo. O cursor aparece no meio da tela. O sujeito então tem cinco segundos para usar os movimentos imaginados apropriados para direcionar o cursor para o alvo.

Se o objeto atingir o alvo, ele muda de cor após cinco segundos sem acerto, a sessão expira e é contada como um erro. Após o teste, há um intervalo de dois segundos entre tentativas durante o qual o sujeito pode relaxar, piscar, engolir ou reajustar as posições após 20 tentativas, o VCI 2000 entra em um estado suspenso. Durante esse tempo, pode ser necessário reajustar algumas das configurações se o assunto não conseguir mover o cursor.

Se, após quatro execuções, o sujeito ainda não conseguir mover o cursor, talvez seja necessário reanalisar os dados coletados na ferramenta de análise offline BCI 2000. Selecione os novos canais e frequências com base nos novos gráficos de recursos. Pode levar várias execuções ou possivelmente várias sessões antes que um sujeito possa se tornar proficiente na tarefa.

Essas imagens mostram os valores de R-quadrado e a topografia do couro cabeludo para o procedimento de calibração, indicando quais canais e caixas de frequência devem ser selecionados. Para controle do cursor, um sujeito treinado deve ser capaz de mover rapidamente o cursor para o alvo mostrado em um ou dois segundos. Acabamos de mostrar como configurar uma interface cérebro-computador para coletar EEGs e treinar um usuário para controlar um cursor virtual usando sua atividade cerebral.

É importante lembrar que pode ser necessário muito treinamento para alguém aprender a usar esse sistema, mas com alguma persistência, quase qualquer pessoa pode aprender a fazê-lo. Então é isso. Obrigado por assistir e boa sorte com seus experimentos.