L'utilizzo di un EEG basato su Brain-Computer Interface permette movimenti del cursore virtuale con BCI2000

Summary

In questo video, dimostriamo i passaggi necessari per eseguire un cervello-computer esperimento di interfaccia, compresa l'istituzione il tappo EEG, calibrare il sistema, e la formazione all'utente di spostare un cursore in due dimensioni utilizzando movimenti immaginato.

Abstract

Una interfaccia cervello-computer (BCI) funzioni traducendo un segnale neurale, come ad esempio l'elettroencefalogramma (EEG), in un segnale che può essere utilizzato per controllare un computer o altro dispositivo. L'ampiezza dei segnali EEG in bidoni frequenza selezionata sono misurati e tradotti in un comando di dispositivo, in questo caso la velocità orizzontale e verticale di un cursore del computer. In primo luogo, gli elettrodi EEG vengono applicate al cuoio capelluto l'utente s usando un tappo per registrare l'attività cerebrale. Quindi, una procedura di calibrazione è utilizzato per trovare gli elettrodi EEG e le caratteristiche che l'utente dovrà imparare a modulare volontariamente di usare il BCI. Negli esseri umani, il potere nelle mu (8-12 Hz) e beta (18-28 Hz) bande di frequenza diminuzione dell'ampiezza durante un movimento, reale o immaginato. Questi cambiamenti possono essere rilevati nel EEG in tempo reale, e utilizzato per controllare un BCI ([1], [2]). Pertanto, durante un test di screening, l'utente viene chiesto di fare alcuni movimenti diversi immaginato con le loro mani e piedi per determinare le caratteristiche uniche EEG che cambiano con i movimenti immaginati. I risultati di questa calibrazione mostrerà i migliori canali da utilizzare, che sono configurati in modo che le modifiche ampiezza nella mu e bande di frequenza beta muovere il cursore orizzontale o verticale. In questo esperimento, il generico sistema BCI BCI2000 viene usato per controllare l'acquisizione di segnali, elaborazione del segnale, e il feedback per l'utente [3].

Protocol

Procedura sperimentale

1. Collegamento del Elettrodi EEG
   1. Elettrodi sarà allegato al cuoio capelluto con un cappello EEG, questo semplifica il processo di garantire che gli elettrodi sono in posizione corretta sul cuoio capelluto, come specificato dal sistema internazionale 10-20.
   2. Per posizionare il tappo, segnano il vertice sul cuoio capelluto del soggetto con un pennarello o qualche altro metodo simile. Per farlo, inizia individuando il nasion e inion sull'argomento. Utilizzando un metro a nastro, trovare la distanza tra queste due posizioni. Il punto a metà strada tra i due punti, o 50% della distanza, è il vertice. Fare un segno a quel punto per riferimento futuro. Altri 10-20 punti possono essere posizionati in modo simile.
   3. Trova l'elettrodo Cz sul cappello, e posizionarlo sul vertice. Tenendo fisso Cz, scivolare il cappuccio sulla testa. Assicurarsi che gli elettrodi Fz, Cz, Pz e sono sulla linea mediana del cuoio capelluto, e che la O1-O2 elettrodi sono orizzontali e il livello di Oz, e che Fp1, Fp2 sono livello FPZ.
   4. Ora collegare l'elettrodo di riferimento, che tipicamente clip su un lobo dell'orecchio.
   5. Successivamente, gli elettrodi sono riempite con un gel conduttivo in modo che gli elettrodi fare una bassa impedenza contatto con il cuoio capelluto. Per fare questo, una piccola siringa con un ago a punta smussa viene riempito con il gel. Inoltre, può essere utile per vedere le tracce EEG sullo schermo del computer mentre il gel viene applicato per determinare se la connessione è buona.
   6. Inserire l'ago in un elettrodo, e carteggiare delicatamente il cuoio capelluto con l'ago per rimuovere tutta la pelle morta. Riempire l'elettrodo con una piccola quantità di gel, facendo attenzione a non riempire troppo lo. Inizia con l'elettrodo di riferimento orecchio, e ripetere per tutti gli elettrodi, compreso il terreno.
   7. Controllare le impedenze per tutti i canali, che dovrebbero essere tutti meno di 5 kΩ. Questo metodo può variare a seconda del particolare sistema di amplificazione usato, ma dovrebbe essere possibile verificare l'impedenza sia tramite hardware o tramite BCI2000.
   8. Se un elettrodo è superiore a 5 kΩ, inserire l'ago di nuovo, e raschiare il cuoio capelluto un po '. Non dovrebbe essere necessario iniettare più gel, a meno che non ci sono diminuzioni l'impedenza.
2. Ottenere Funzioni di calibrazione EEG
   1. All'inizio di una sessione, in particolare la prima volta che un soggetto è in fase di test, è utile per determinare le caratteristiche EEG che può essere utilizzato per controllare un BCI. Questo perché anche se la proprietà di base del Mu e Beta ritmi EEG sono gli stessi per tutte le persone, queste caratteristiche possono variare da persona a persona, e pertanto devono essere calibrati prima di ogni altri esperimenti.
   2. Nella sessione di calibrazione, il soggetto è incaricato di immaginare i diversi movimenti che coinvolgono le loro mani o piedi in risposta a stimoli visivi presentati sul monitor. Per iniziare, il sistema informatico deve essere configurata per la modalità dual-monitor, in modo da visualizzare il ricercatore contiene il software di controllo, e il secondo monitor visualizza l'uscita sperimentale.
   3. Avviare BCI2000 dal BCI2000Launcher selezionando il modulo amplificatore fonte, il modulo ARSignalProcessing, e modulo StimulusPresentation. In questo esempio, stiamo usando il modulo gUSBampSource, che controlla l'amplificatore g.USBamp.
   4. Aggiungere i file dei parametri per il soggetto, l'amplificatore e le attività di screening del motore. Questi dovrebbero essere configurati in anticipo, in modo che possano semplicemente essere caricati, e l'esperimento può iniziare.
   5. Una volta che i file di parametri sono stati aggiunti alla lista dei file in BCI2000Launcher, premere il pulsante Avvia. Se tutto ha funzionato correttamente, BCI2000 dovrebbe iniziare, una traccia dei dati EEG deve presentarsi, e monitorare il soggetto deve essere vuoto prima dell'inizio dell'esperimento.
   6. Durante la sessione, lo schermo potrà essere vuoto, o visualizzare una istruzione, come "Right Hand", "Mano Sinistra", "entrambe le mani", o L'istruzione viene visualizzato sullo schermo per 3 secondi "entrambi i piedi." Durante questa volta, il soggetto deve continuamente immaginare il movimento. I movimenti della mano deve essere di apertura e chiusura delle mani (per esempio, come spremere una palla da tennis), e il movimento del piede deve essere in movimento i piedi avanti e indietro (ad esempio, come premendo il pedale del gas con entrambi i piedi). Quando lo schermo è vuoto, il corpo deve essere completamente rilassato.
   7. Durante una corsa, ogni parte del corpo è ripetuto 20 volte. Idealmente, ci dovrebbe essere di 100 punti di dati, il che significa che ci dovrebbe essere un totale di 5 piste. Con sessioni multiple, meno corre sono necessari, poiché il soggetto è in grado di eseguire il compito immaginare migliore.
3. Analizzando le caratteristiche EEG
   1. Al fine di determinare quali funzionalità EEG il soggetto è in grado di modulare volontariamente al fine di controllare la BCI, i dati di calibrazione vengono analizzati in linea con il BCI2000 strumento di analisi offline, incluso BCI2000. Questo strumento converte i dati raccolti nel dominio della frequenza feAtures, che mostra le frequenze e le località che hanno cambiato durante i movimenti diversi, e sono correlati al massimo con i compiti. Queste caratteristiche possono essere usati in un esperimento BCI.
   2. Per determinare quali funzionalità dovrebbe essere utilizzato, avviare la BCI2000 strumento di analisi offline. BCI2000 include un ampio tutorial per l'utilizzo dello strumento di analisi, che deve essere consultato per ulteriori informazioni.
   3. Determinare quali funzionalità EEG sono fortemente correlati con ogni movimento, trovando la grande R-quadro dei valori nelle trame prodotte dallo strumento di analisi. I canali e contenitori frequenza con la più grande r-squared valori (ad esempio, superiore a 0,2) può essere selezionato come componente di controllo del segnale per una determinata direzione. Per esempio, caratteristiche che per cambiare la condizione mano destra dovrebbe essere configurato per spostare il cursore verso il lato destro dello schermo.
   4. E 'inoltre importante ricordare che il Mu / ritmi Beta riduzione in ampiezza con un movimento associato. Quindi, al fine di spostare il cursore a destra, il positivo direzione x, questa caratteristica dovrebbe avere un peso negativo ad esso associati.
   5. I canali e le frequenze scelte dovrebbero essere coerenti con proprietà note di ritmi corticali sensomotorio. Cioè, cambiamenti significativi in ​​corrispondenza con immaginato movimento della mano destra dovrebbe essere visto nel corso degli controlaterale (a sinistra) corteccia motoria, nei pressi di C3 e CP3 e centrato vicino a 8-12 Hz e / o 18-28 Hz. Allo stesso modo, i movimenti della mano sinistra dovrebbe portare a cambiamenti nel diritto corteccia motoria sulla C4 e CP4 elettrodi, ed i movimenti del piede dovrebbe apparire su Cz e CPZ. Se questi luoghi e valori sono differenti, allora è probabile che qualche rumore o effetto casuale è stata misurata, e non deve essere configurato come una funzione di controllo.
   6. Per ogni condizione, il più grande quattro r-squared valori dovrebbero essere scelte in termini di numero di canale e il numero di bin. Le frequenze sono disposti in 2 contenitori Hz, quindi un elemento con un alto r-squared 10-12 Hz apparirebbe in bin 6. Con questi valori in mano, il sistema può essere configurato per l'attività di controllo del cursore.
4. Linea Le opinioni Configurazione sessione
   1. Configurare la sessione di movimento del cursore nel Launcher BCI2000.
   2. Prima di iniziare l'esperimento, diversi parametri devono essere configurati. In primo luogo, il filtro spaziale deve essere configurato con un comune della media di riferimento. Per farlo, premere Config nella operatore BCI2000 per visualizzare la lista delle impostazioni, e premere la scheda Filtro.
   3. Vai a SpatialFiltering e modificare la SpatialFilterType casella a discesa in modo che si dice "Common-media di riferimento (CAR)".
   4. In Uscita AUTO SpatialFilter, elencare i nomi dei canali o numeri selezionati nella sessione di calibrazione. Ad esempio, è possibile digitare "C3-C4 CP3 CP4 Cz CPZ" (senza le virgolette) e BCI2000 saprà quali canali utilizzare (a condizione che le etichette dei canali sono elencati sotto il campo "Nome Canale" nella scheda Source).
   5. Successivamente, la matrice di classificazione deve essere configurato per utilizzare le funzioni selezionate. Nella scheda Filtering, passare al parametro Classifier e premere Matrix Modifica.
   6. Il numero di colonne deve essere impostata su 4, e il numero di righe deve essere uguale al numero totale di funzioni selezionate. Ogni riga della matrice corrisponde a una caratteristica individuale.
   7. La prima colonna deve contenere tutti i nomi dei canali in uso, ad esempio, C3, C4, ecc La seconda colonna contiene i bidoni selezionato per il controllo. E 'possibile immettere un numero di bin o frequenza specifica, inserendo "6" o "11Hz" selezionerà i bin stesso, a condizione che il parametro BinWidth è "2 Hz" nella scheda Sorgente. La terza colonna è il canale di uscita, mentre il valore "1" corrisponde al movimento orizzontale, e "2" corrisponde a movimento verticale. La C3 canali, CP3, C4, e CP4 deve essere impostato a 1 per un compito trasversale controllo del cursore, C3, CP3, C4, CP4, Cz e CPZ deve essere impostato a 2 per un compito di controllo del cursore verticale. Infine, la quarta colonna contiene la funzione di peso, e deve corrispondere al senso opposto previsto, ad esempio, C3 e CP3 dovrebbe essere ponderata da -1 a spostare il cursore a destra, e C4 e CP4 dovrebbe essere ponderata da 1 a spostarlo a sinistra. Per spostare il cursore verso il basso, Cz e CPZ devono essere ponderati 1, e per spostare il cursore su, C3 e C4 devono essere ponderati -1.
5. Movimento Task cursore
   1. Ora che il sistema è configurato con le impostazioni corrette, è il momento di avviare l'attività sperimentale.
   2. Il sistema è configurato in modo che uno dei quattro obiettivi apparirà durante un processo. L'obiettivo del soggetto è quello di spostare il cursore verso il bersaglio corretto utilizzando i movimenti immaginati corrispondente alla direzione desiderata del movimento (per esempio, a destra per spostarsi a destra, i piedi per spostarsi in basso, ecc.)
   3. Per le prime prove, il cursore è vincolato all'asse del bersaglio. Cioè, se il target è in alto o in basso, èpossibile solo per spostare il cursore verso l'alto o verso il basso, e se è a sinistra o destra dello schermo, il cursore può essere spostato a sinistra oa destra.
   4. Quando la corsa si avvia, la lettera "T" appare sullo schermo per 2 secondi. Successivamente, uno dei bersagli appare per 1 secondo.
   5. Dopo questo periodo di 1 secondo, il cursore appare al centro dello schermo. Il soggetto utilizza i movimenti appropriati immaginato di dirigere il cursore sul bersaglio. Se il soggetto colpisce il bersaglio, cambia colore. In caso contrario, il soggetto ha 5 secondi per colpire il bersaglio prima che la sessione volte-out e viene conteggiato come una miss.
   6. Dopo il processo, vi è un 2 secondi inter-trial intervallo durante il quale il soggetto può rilassarsi, lampeggiare, rondine, o comunque ri-regolare le posizioni. Durante le prove, il movimento dovrebbe essere tenuto al minimo per ridurre gli artefatti artefatti o movimento muscolare. E 'utile anche per sedersi in una stanza scarsamente illuminata in una comoda poltrona.
   7. Dopo 20 prove, BCI2000 entra in uno stato di sospensione. Durante questo periodo, potrebbe essere necessario regolare nuovamente alcune delle impostazioni se il soggetto è in grado di spostare il cursore.
   8. Se dopo 4 corre il soggetto è ancora in grado di spostare arbitrariamente il cursore, può essere necessario ri-analizzare i dati raccolti nello strumento BCI2000 analisi offline. Selezionare i nuovi canali e frequenze in base alla nuova funzione di trame. Si può richiedere gestisce diversi o forse diverse sessioni prima che un soggetto può diventare esperti in questo compito.

Parte 6: Risultati Rappresentante:

1. Figure 1 e 2 mostrano la R-quadro dei valori e la topografia del cuoio capelluto per la procedura di calibrazione, indicando quali canali e contenitori di frequenza deve essere selezionato per il controllo del cursore.
2. Un soggetto addestrato dovrebbe essere in grado di spostare rapidamente il cursore sul bersaglio indicato entro 1 o 2 secondi.

Figura 1 A) e B) Topografia dei cambiamenti spettrali nella banda 10-12 Hz durante i movimenti reali e immaginari con la mano destra. C) Lo spettro di potenza su C3 durante il riposo (tratteggiata) e movimento (solido). D) La R-quadro del potere durante il movimento rispetto al resto.

Figura 2 La R-quadro su tutti i canali per immaginato destra movimento. L'asse x è la frequenza in 2 contenitori Hz 0-70 Hz. L'asse y è il numero del canale. Il più alto r-squared valori si trovano sui canali 9, 10, 17, 18, e 19, che coprono l'area mano controlaterale della corteccia motoria.

Discussion

1. E 'vitale che le impedenze dell'elettrodo sono bassi, ma che troppo gel non è stato utilizzato per abbassare l'impedenza. Un singolo canale male può colpire tutti gli altri attraverso i comuni della media di riferimento. Se l'impedenza non può essere ridotta dopo diversi tentativi, si consiglia un rapido inserimento di elettrodi da utilizzare, che può essere semplicemente inserito l'elettrodo male attraverso il foro che l'ago viene inserito attraverso per iniettare il gel, e registrato a posto.
2. Durante la prima sessione, il soggetto può avere difficoltà a immaginare i movimenti richiesti. In questo caso, può essere utile per farli rendere i movimenti reali prima, ed eseguire l'analisi offline dei dati movimento reale. Configurare la sessione di movimento del cursore come prima con i dati di movimento reale, e sono il soggetto utilizzare i movimenti reali per tentare di spostare il cursore. Dopo un paio di basi, li hanno progressivamente smettere di fare il movimento reale, fino a che non hanno smesso del tutto. Dopo diverse sedute, la maggior parte degli utenti smettere di usare l'immaginazione motoria del tutto, e invece solo "spostare" il cursore.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
BCI2000- Compatible Amplifer System	g.USBamp		http://www.gtect.at
BCI2000- Compatible Amplifer System	Tucker-Davis Technologies	Rx5 or Rx 7	http://www.tdt.com
EEG cap	Electro-cap International		http://www.electro-cap.com At a minimum, the cap should have electrodes over hand and feet areas (C3, C4, and Cz). Additional channels can be used for control (CP3, CP4, CPz) and for spatial filtering as well, which will improve the signal quality.
Conductive gel	Electro-cap International		http://www.electro-cap.com
PC			Running Windows XP or Vista (at least Pentium 4, 2 GHz, 1 GB RAM)
Two monitors			Each at least 19in (one for the subject and one for the researcher)