Использование ЭЭГ основе интерфейса мозг-компьютер для виртуальных движения курсора с BCI2000

Интерфейс мозг-компьютер или ИМК функционирует, преобразуя нейронный сигнал, такой как электроэнцефалограмма или ЭЭГ, в сигнал, который может быть использован для управления компьютером или другим устройством. Процедура начинается с прикрепления электродного колпачка ЭЭГ к коже головы субъекта для записи активности мозга. Затем испытуемого просят представить несколько произвольных движений руками и ногами, после чего выполняется процедура калибровки, которая анализирует характеристики ЭЭГ в результате процедуры калибровки.

Значения R-квадрат и томография кожи головы могут быть использованы для определения того, какие электроды и частотные бины будут использоваться для направления курсора на экране компьютера. После этого объекты смогут быстро перемещать курсор к целевым областям, просто думая об этом. Здравствуйте, меня зовут Адам Уилсон, и я работаю в лаборатории Джастина Уильямса на факультете биомедицинской инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон.

Сегодня я расскажу о процедуре регистрации активности мозга, называемой электроэнцефалограммой или ЭЭГ для управления приложением интерфейса мозга и компьютера. Итак, приступим. Вы начинаете этот протокол с подключения электродов ЭЭГ к коже головы пациента через ЭЭГ-колпачок, который позиционирует электроды в соответствии с международной системой 10:20.

Чтобы правильно расположить шапочку на волосистой части головы субъекта, с помощью фломастера отметьте назион, который является пересечением лобных носовых костей и индийского, самого большого выступа затылочной кости. Найдите золотую середину между насном и инионом и рынком. Это положение называется вершиной.

Найдите электрод CZ на колпачке и расположите его на вершине, удерживая CZ неподвижным. Наденьте шапочку на голову. Убедитесь, что электроды FC cz и PZ находятся на средней линии кожи головы, электроды от O one до O2 расположены горизонтально и на уровне oz, а FP от первого до FP 2 находятся на уровне FPZ.

Теперь прикрепите электрод сравнения, который обычно крепится к мочке уха. Теперь, когда электроды были правильно размещены, необходимо убедиться в правильном электрическом контакте с кожей головы. Для этого проводящий гель сначала набирается в маленьком шприце с тупым концом иглой.

Затем вставьте иглу в электрод и аккуратно обработайте кожу головы иглой, чтобы удалить омертвевшую кожу. Начните с ушного электрода сравнения и повторите для всех электродов, включая заземление, заполните электрод небольшим количеством геля. Будьте осторожны, чтобы не переполнить его.

Проверьте импедансы для всех каналов, которые должны быть меньше пяти килоом. Ваш метод будет варьироваться в зависимости от вашей усилительной системы. Чтобы сделать это с усилителем GUSB в BCI 2000, вы измените параметр режима сбора данных на импеданс и нажмите set config, чтобы запросить значения импеданса для всех каналов.

Если электрод имеет импеданс более пяти килоом, введите иглу еще раз и еще немного напугайте кожу головы, чтобы укрепить соединение. Затем снова проверьте импеданс. Теперь ЭЭГ-колпачок готов к записи.

Чтобы начать работу, настройте компьютерную систему для работы в режиме двух мониторов. Запустите BCI 2000 из программы запуска BCI 2000, выбрав модуль источника усилителя, фиктивный модуль обработки сигнала и модуль представления стимулов. Добавьте файлы параметров для вашего объекта, усилителя и задач по скринингу моторики, которые вы должны настроить заранее во время сеанса, экран будет либо пустым, либо будет отображать инструкцию, такую как правая рука, левая рука, обе руки или обе ноги в течение трех секунд за раз.

Во время каждого трехсекундного движения испытуемый должен непрерывно представлять указанное движение. Движения рук должны быть раскрытием и закрытием рук, как сжимание теннисного мяча, а движения ног должны быть движением ног вперед и назад, как нажатие на педаль газа обеими ногами. Когда экран пустой, объект должен полностью расслабить тело во время бега.

Повторите каждую часть тела 20 раз и выполните пять запусков, чтобы получить в общей сложности сто точек данных. Теперь вы можете анализировать данные, чтобы определить особенности ЭЭГ, уникальные для каждого воображаемого движения. Теперь, когда вы закончили сбор данных скрининга, пришло время использовать инструмент автономного анализа BCI 2000, чтобы определить, какие особенности сигнала ЭЭГ пользователи могут произвольно модулировать.

Инструмент автономного анализа преобразует сигнал ЭЭГ в частотную область, где можно определить, какие каналы и какие частотные особенности в сигнале были максимально соотнесены с задачами. Чтобы начать анализ, запустите программу математической лаборатории и перейдите в папку автономного анализа BCI 2000, а затем запустите программу. Используйте программу, чтобы определить, какие особенности ЭЭГ сильно коррелируют с каждым движением.

Для каждого движения построите график данных, а затем найдите графики с наибольшими значениями R-квадрат или самой сильной корреляцией. Затем вы можете использовать каналы и частотные бины с наибольшими значениями R-квадрат в качестве управляющих сигналов для перемещения курсора в определенном направлении. Например, настройте функции, которые изменяются для состояния правой руки, чтобы переместить курсор в правую сторону экрана.

Анализируя свои данные, убедитесь, что выбранные каналы и частоты согласуются с известными свойствами корковых сенсорно-моторных ритмов. Например, вы должны увидеть значительные изменения, соответствующие воображаемому движению правой руки по контралатеральной моторной коре в районе С3 и КП 3 и центрированные в диапазоне от 8 до 12 герц и от 18 до 28 герц соответственно. Если эти местоположения и значения отличаются, то, вероятно, вы измерили шум или какой-то случайный эффект и не должны настраивать этот конкретный ритм в качестве функции управления.

Для каждого условия выберите номер канала и интервалы частот с четырьмя наибольшими значениями R-квадрат. Имея под рукой эти значения, вы можете настроить систему для задачи управления курсором. Теперь, когда вы определили функции, коррелирующие с каждым движением Imagine, пришло время настроить систему BCI для использования этих функций для управления движением курсора.

Сначала мы настроим сеанс перемещения курсора в лаунчере BCI 2000, выбрав ваш модуль источника усилителя, модуль обработки AR-сигнала и модуль задачи. Во-первых, настройте пространственный фильтр с общим средним значением. Для этого нажмите кнопку config в операторе BCI 2000, чтобы открыть список настроек, и перейдите на вкладку фильтрации.

Перейдите в раздел Пространственная фильтрация и измените выпадающий список Тип пространственного фильтра на Общая средняя ссылка или CAR в разделе Пространственный фильтр, вывод CAR. Перечислите имена или номера каналов, выбранные во время сеанса калибровки. Затем настройте матрицу классификации для использования функций, выбранных на вкладке фильтрации.

Перейдите в параметр классификатора и нажмите редактировать матрицу. Установите количество столбцов равным четырем, а количество строк равным общему количеству выбранных объектов. Каждой строке матрицы соответствует отдельный признак.

В первом столбце введите все названия каналов. Во втором столбце введите интервалы частот, выбранные для управления каждым движением. В третьем столбце в выходной канал поступает движение курсора, контролируемое функцией.

Значение единицы соответствует горизонтальному движению, а два — вертикальному. Каналы C3, CP three, C four и CP four должны быть установлены на единицу для горизонтального управления курсором. Задачи C3, CP three, C четыре, CP four и CZ должны быть установлены на два для задачи вертикального контроля проклятий.

Наконец, в четвертом столбце введите вес элемента, который соответствует противоположному предполагаемому направлению. Например, чтобы переместить курсор вправо, нужно дождаться C3 и CP три как минус один, а чтобы переместить его влево, нужно подождать C четыре и CP четыре как одно. Аналогично, чтобы переместить курсор вниз, вы должны дождаться CZ и CPZ как одного, а чтобы переместить курсор вверх, вы должны дождаться C3 и C четыре как минус один.

Теперь, когда вы настроили систему с правильными настройками, пришло время приступить к экспериментальной задаче. Проводите испытания в тускло освещенной комнате с удобным креслом для испытуемого. Во время испытаний испытуемый должен свести движения к минимуму.

Чтобы уменьшить артефакты, будут перерывы между испытаниями. Для первых попыток ограничьте курсор осью цели. То есть, если цель находится вверху или внизу, то перемещать курсор можно только вверх или вниз, а если она находится слева или справа от экрана, то объект может перемещать курсор только влево или вправо.

Одна из целей появляется на одну секунду. Курсор появляется в центре экрана. Затем у субъекта есть пять секунд, чтобы использовать соответствующие воображаемые движения для направления курсора к цели.

Если объект попадает в цель, он меняет цвет через пять секунд без попадания, время ожидания сеанса истекает и засчитывается как промах. После испытания есть двухсекундный интервал между испытаниями, в течение которого субъект может расслабиться, моргнуть, глотать или иным образом изменить положение После 20 попыток VCI 2000 входит в подвешенное состояние. В течение этого времени может потребоваться изменить некоторые настройки, если объект не может перемещать курсор.

Если после четырех прогонов субъект по-прежнему не может переместить курсор, возможно, потребуется повторный анализ собранных данных в автономном средстве анализа BCI 2000. Выберите новые каналы и частоты на основе графиков новых признаков. Может потребоваться несколько прогонов или, возможно, несколько сеансов, прежде чем субъект сможет стать опытным в выполнении задачи.

На этих изображениях показаны значения R-квадрат и топография скальпа для процедуры калибровки с указанием того, какие каналы и частотные диапазоны следует выбрать. Для управления курсором обученный субъект должен иметь возможность быстро перемещать курсор к отображаемой цели в течение одной или двух секунд. Мы только что показали вам, как настроить интерфейс мозга и компьютера для сбора ЭЭГ и научить пользователя управлять виртуальным курсором с помощью его мозговой активности.

Важно помнить, что для того, чтобы научиться использовать эту систему, может потребоваться много обучения, но при некотором упорстве почти каждый может научиться этому. Вот и все. Спасибо за просмотр и удачи в ваших экспериментах.