Met behulp van een EEG-Based Brain-Computer Interface voor virtuele cursor Movement met BCI2000

Summary

In deze video, tonen we de stappen die nodig zijn om een ​​hersen-computer interface experiment, inclusief het opzetten van de EEG dop, het kalibreren van het systeem en het trainen van de gebruiker om een ​​cursor te verplaatsen in twee dimensies met behulp van ingebeelde bewegingen uit te voeren.

Abstract

Een brein-computer interface (BCI) functies door het vertalen van een neuraal signaal, zoals het elektro-encefalogram (EEG), in een signaal dat kan worden gebruikt om een ​​computer of een ander apparaat te controleren. De amplitude van de EEG-signalen in de geselecteerde frequentie bakken worden gemeten en vertaald in een apparaat opdracht, in dit geval de horizontale en verticale snelheid van een computer cursor. Eerst worden de EEG-elektroden aangebracht op de hoofdhuid van de gebruiker s met behulp van een dop om hersenactiviteit te nemen. Vervolgens wordt een kalibratie procedure wordt gebruikt om de EEG-elektroden en functies die de gebruiker zal leren om vrijwillig moduleren van de BCI gebruiken te vinden. Bij de mens, de macht in de mu (8-12 Hz) en beta (18-28 Hz) frequentiebanden daling van de amplitude tijdens een echte of ingebeelde beweging. Deze veranderingen kunnen worden gedetecteerd in de EEG in real-time, en gebruikt om een ​​BCI ([1], [2]) te controleren. Daarom is tijdens een screening test, wordt de gebruiker gevraagd om verschillende ingebeelde bewegingen met hun handen en voeten te leveren aan de unieke EEG kenmerken die veranderen met de ingebeelde bewegingen vast te stellen. De resultaten van deze kalibratie zal de beste kanalen om te gebruiken, die zo zijn geconfigureerd dat de amplitude veranderingen in de mu-en beta-frequentiebanden de cursor te bewegen horizontaal of verticaal. In dit experiment, is het algemene doel BCI-systeem BCI2000 gebruikt voor het signaal acquisitie, signaalverwerking, en feedback controle aan de gebruiker [3].

Protocol

Experimentele Procedure

1. Aansluiten van de EEG-elektroden
   1. Elektroden worden aangesloten op de hoofdhuid met behulp van een EEG kapje, dit vereenvoudigt het proces van ervoor te zorgen dat de elektroden op de juiste locatie op de hoofdhuid, zoals gespecificeerd door de 10-20 internationale systeem.
   2. Voor het plaatsen van de dop, markeer de vertex op de hoofdhuid van het onderwerp met behulp van een viltstift of een andere soortgelijke methode. Om dit te doen, beginnen met het lokaliseren van de nasion en INION over het onderwerp. Met behulp van een meetlint, vindt de afstand tussen deze twee locaties. Het midden tussen de twee punten, of 50% van de afstand, is de top. Maak een markering op dat moment voor latere referentie. Andere 10 tot 20 punten kunnen worden geplaatst op een vergelijkbare manier.
   3. Vind de Cz elektrode op de dop, en plaats deze op het hoekpunt. Het houden van Cz vast, zet het kapje op het hoofd. Zorg ervoor dat de Fz, Cz, Pz en elektroden bevinden zich op de middellijn van de hoofdhuid, en dat de O1-O2 elektroden zijn horizontaal en niveau met Oz, en dat de FP1-FP2 zich op de hoogte FPZ.
   4. Bevestig nu de referentie-elektrode, die doorgaans clips op een oorlel.
   5. Vervolgens worden de elektroden gevuld met een geleidende gel, zodat de elektroden een lage impedantie contact met de hoofdhuid. Om dit te doen, is een kleine spuit met een stompe naald-tip gevuld met de gel. Ook kan het nuttig zijn om de EEG-sporen op het computerscherm te zien, terwijl de gel wordt toegepast om te bepalen of de verbinding goed is.
   6. Steek de naald in een elektrode, en voorzichtig schuren de hoofdhuid met de naald op een dode huidcellen te verwijderen. Vul de elektrode met een kleine hoeveelheid gel, en let niet te overvullen. Begin met het oor referentie-elektrode, en herhaal voor alle van de elektroden, inclusief de grond.
   7. Controleer de impedanties voor alle kanalen, die alle moeten minder dan 5 kΩ. Deze methode zal variëren afhankelijk van de specifieke versterker systeem dat wordt gebruikt, maar het moet mogelijk zijn om de impedantie controleren hetzij door middel van hardware of via BCI2000.
   8. Als een elektrode is dan 5 kΩ, opnieuw steek de naald, en schuren de hoofdhuid wat meer. Het moet niet nodig zijn om meer gel inspuiten, tenzij er geen dalingen in de impedantie.
2. Het verkrijgen van EEG Kalibratie Features
   1. Aan het begin van een sessie, in het bijzonder de eerste keer dat een onderwerp wordt getest, is het nuttig om de EEG-functies die kunnen worden gebruikt voor het regelen van een BCI te bepalen. Dit komt omdat, hoewel de fundamentele eigenschappen van de Mu en Beta EEG ritmes zijn dezelfde voor alle mensen, deze functies zal variëren van persoon tot persoon, en moeten daarom vóór alle andere experimenten worden gekalibreerd.
   2. In de kalibratie-sessie, het onderwerp is geïnstrueerd om verschillende bewegingen met hun handen of voeten stellen als reactie op visuele aanwijzingen gepresenteerd op de monitor. Om te beginnen, moet het computersysteem worden geconfigureerd voor dual-monitor modus, zodat de onderzoeker het display van de controle-software bevat, en de tweede monitor geeft de experimentele output.
   3. Start BCI2000 van de BCI2000Launcher door het selecteren van uw versterker de bron module, de ARSignalProcessing module, en StimulusPresentation module. In dit voorbeeld gebruiken we de gUSBampSource module, die de g.USBamp versterker controles.
   4. Voeg de parameter bestanden voor uw onderwerp, de versterker, en de motor screening taken. Deze moeten van tevoren worden geconfigureerd, zodat ze kunnen eenvoudig worden geladen en het experiment kan beginnen.
   5. Zodra de parameter bestanden zijn toegevoegd aan de lijst met bestanden in BCI2000Launcher, drukt u op de Launch-knop. Als alles werkt goed, moet BCI2000 beginnen, een spoor van de EEG-data zou moeten verschijnen, en het onderwerp van de monitor moet leeg zijn voor de aanvang van het experiment.
   6. Tijdens de sessie, zal het scherm ofwel leeg, of weer te geven een opdracht, zoals "Right Hand", "Left Hand", "twee handen", of De instructie zal verschijnen op het scherm voor 3s "beide voeten."; Tijdens deze tijd moet het onderwerp voortdurend denken aan de beweging. De bewegingen van de handen moet openen en sluiten van de handen (bijvoorbeeld zoals knijpen in een tennisbal) en de beweging van de voet moet worden het verplaatsen van de voeten heen en weer (bijvoorbeeld als drukken op een gas pedaal met beide voeten). Wanneer het scherm leeg is, moet het lichaam volledig ontspannen.
   7. Tijdens een run, wordt elk lichaamsdeel 20 keer herhaald. Idealiter zou er 100 data punten, wat betekent dat er een totaal van 5 runs worden. Met meerdere sessies, minder runs nodig zijn, omdat het onderwerp is in staat om de ingebeelde taak uit te voeren beter.
3. Het analyseren van de EEG Features
   1. Om te bepalen welke functies van de EEG-onderwerp is in staat om vrijwillig moduleren om de BCI controleren, is de kalibratie gegevens geanalyseerd offline met behulp van de BCI2000 Offline Analyse tool, die bij BCI2000. Deze tool zet de verzamelde gegevens in frequentie domein feperaturen, die de frequenties en locaties dat veranderde tijdens de verschillende bewegingen, en zijn maximaal gecorreleerd met de taken shows. Deze functies kunnen vervolgens worden gebruikt in een BCI experiment.
   2. Om te bepalen welke functies moet worden gebruikt, start u de BCI2000 offline analyse tool. BCI2000 bevat een uitgebreide tutorial voor het gebruik van de analyse tool, die moet worden geraadpleegd voor meer informatie.
   3. Bepaal welke sterk EEG functies zijn gecorreleerd met elke beweging door het vinden van de grote R-kwadraat waarden in de percelen uit de analyse tool. De kanalen en de frequentie bakken met de grootste R-kwadraat waarden (bijv. meer dan 0,2) kan vervolgens worden geselecteerd als een stuursignaal component voor een bepaalde richting. Bijvoorbeeld, moeten kenmerken die verandering voor de rechterhand voorwaarde worden ingesteld om de cursor te verplaatsen naar de rechterkant van het scherm.
   4. Het is ook belangrijk om te onthouden dat de Mu / Beta ritmes afname in amplitude met een bijbehorende beweging. Dus, om de cursor naar rechts, de positieve x-richting, moet deze functie hebben een negatief gewicht die ermee verbonden zijn.
   5. De kanalen en frequenties gekozen moeten in overeenstemming zijn met de bekende eigenschappen van corticale sensorimotorische ritmes. Dat wil zeggen dat belangrijke veranderingen die overeenkomt met ingebeelde rechterhand beweging te zien over de contralaterale (links) motor cortex, in de buurt C3 en CP3 en gecentreerd in de buurt van 8-12 Hz en / of 18 tot 28 Hz. Ook moet de linkerhand bewegingen resulteren in veranderingen in de juiste motor cortex op de C4 en CP4 elektroden, en de voet bewegingen moeten verschijnen dan CZ en CPZ. Als deze locaties en waarden zijn anders, dan is het waarschijnlijk dat andere herrie of random effect werd gemeten, en mag niet worden geconfigureerd als een control functie.
   6. Voor elke voorwaarde, moeten de vier grootste R-kwadraat waarden worden gekozen in termen van het kanaalnummer en bin-nummer. De frequenties zijn ingedeeld in 2 Hz bakken, dus een functie met een hoge R-kwadraat is 10 tot 12 Hz zou verschijnen in de bak 6. Met deze waarden in de hand, kan het systeem worden geconfigureerd voor de cursor controle taak.
4. Online feedback sessie Configuratie
   1. Configureer de cursor beweging sessie in het BCI2000 Launcher.
   2. Voordat u begint met het experiment, een aantal parameters moeten worden geconfigureerd. Eerst moet de ruimtelijke filter worden geconfigureerd met een common-gemiddelde van referentie. Om dit te doen, Config pers in de BCI2000 operator om het instellingen lijst en drukt u op de tab filteren.
   3. Ga naar SpatialFiltering, en verander de SpatialFilterType drop-down box, zodat het zegt "Common-Gemiddelde Referentie (CAR)."
   4. Onder SpatialFilter CAR-uitgang, een lijst van de kanalen namen of nummers geselecteerd in de kalibratie sessie. Bijvoorbeeld, kunt u "C3 CP3 C4 CP4 Cz CPZ" (zonder de aanhalingstekens), en BCI2000 weet welke kanalen te gebruiken (op voorwaarde dat het kanaal etiketten staan ​​vermeld onder de "Channel Names" veld in het tabblad Bron).
   5. Vervolgens moet de indeling matrix worden geconfigureerd om de geselecteerde functies te gebruiken. Onder het tabblad Filtering, ga naar de Classifier parameter en druk op Bewerken Matrix.
   6. Het aantal kolommen moet worden ingesteld op 4, en het aantal rijen moet gelijk zijn aan het totaal aantal geselecteerde functies. Elke matrix rij komt overeen met een individuele functie.
   7. In de eerste kolom moet bevatten alle namen van het kanaal worden gebruikt, bijvoorbeeld, C3, C4, etc. De tweede kolom bevat de bakken geselecteerd voor controle. Het is mogelijk in te voeren of een bak nummer of een specifieke frequentie, het invoeren van "6" of "11Hz" zal dezelfde bak te selecteren, op voorwaarde dat de BinWidth parameter is "2 Hz" onder het tabblad Bron. De derde kolom is de output kanaal, de waarde "1" komt overeen met een horizontale beweging, en "2" komt overeen met verticale beweging. De kanalen C3, CP3, C4, en CP4 moet worden ingesteld op 1 voor een horizontale cursor controle taak; C3, CP3, C4, CP4, Cz en CPZ moet worden ingesteld op 2 voor een verticale cursorbesturing taak. Ten slotte, de vierde kolom de functie gewicht bezit, en moet overeenkomen met de andere beoogde richting, bij voorbeeld, C3 en CP3 -1 gewogen om de cursor naar rechts te verplaatsen, en C4 en CP4 moet worden gewogen 1 tot verplaats deze naar links. Om de cursor naar beneden, CZ en CPZ moet een worden gewogen, en om de cursor omhoog te gaan, moeten C3 en C4 -1 gewogen.
5. Cursor Beweging Taak
   1. Nu het systeem is geconfigureerd met de juiste instellingen, is het tijd om te beginnen met de experimentele taak.
   2. Het systeem is zo geconfigureerd dat een van de vier doelstellingen zal verschijnen tijdens een proces. Het onderwerp heeft als doel om de cursor te verplaatsen naar de juiste doelgroep met behulp van ingebeelde bewegingen die overeenkomt met de gewenste richting van de beweging (bijvoorbeeld rechts naar rechts, de voeten bewegen om naar beneden, enz.).
   3. Voor de eerste proeven, wordt de cursor beperkt tot de as van het doel. Dat wil zeggen, als het doel is aan de boven-of onderkant, is hetalleen mogelijk om de cursor omhoog of omlaag, en als het aan de linker-of rechterkant van het scherm, de cursor kunnen alleen worden verplaatst naar links of rechts.
   4. Wanneer de run begint, de letter "T" verschijnt op het scherm gedurende 2 seconden. Vervolgens een van de doelstellingen verschijnt gedurende 1 seconde.
   5. Na deze een-tweede periode, verschijnt de cursor in het midden van het scherm. Het onderwerp maakt gebruik van de juiste ingebeelde bewegingen om direct de cursor naar het doel. Als het onderwerp raakt het doel, het verandert van kleur. Anders, het onderwerp heeft 5 seconden om het doel te raken voordat de sessie time-out en wordt geteld als een misser.
   6. Na de proefperiode is er een 2 seconden inter-trial interval waarin het onderwerp kunnen ontspannen, knipperen, slikken of anderszins opnieuw aan te passen posities. Tijdens de proeven, moet beweging worden gehouden tot een absoluut minimum aan bewegingsartefacten of spier artefacten te verminderen. Het is ook nuttig om te zitten in een slecht verlichte kamer in een comfortabele stoel.
   7. Na 20 proeven, BCI2000 gaat in stand. Gedurende deze tijd kan het nodig zijn om opnieuw aan te passen een aantal van de instellingen als het onderwerp niet in staat is om de cursor te verplaatsen.
   8. Als na vier runs het onderwerp is nog steeds niet in staat om volitionally de cursor verplaatst, kan het nodig zijn om opnieuw te analyseren de verzamelde gegevens in de BCI2000 offline analyse tool. Selecteer de nieuwe kanalen en frequenties op basis van de nieuwe functie percelen. Het kan enkele runs of eventueel meerdere sessies voordat een onderwerp kunnen bekwamen in de taak.

Deel 6: representatieve resultaten:

1. Figuren 1 en 2 tonen de R-squared waarden en hoofdhuid topografie voor de kalibratie procedure en geeft aan welke kanalen en de frequentie bakken moeten worden geselecteerd voor de cursor controle.
2. Een getrainde onderwerp moet in staat zijn om de cursor snel naar de getoonde doel binnen 1 of 2 seconden.

Figuur 1 A) en B) Topografie van spectrale veranderingen in de 10-12 Hz-band tijdens het echte en ingebeelde bewegingen met de rechterhand. C) Het vermogensspectrum op C3 tijdens de rust (stippellijn) en beweging (vast). D) De R-kwadraat van de macht tijdens beweging ten opzichte van rust.

Figuur 2 De R-kwadraat in alle kanalen voor ingebeelde rechts beweging. De x-as is de frequentie in Hz 2 bakken 0 tot 70 Hz. De y-as is het kanaalnummer. De hoogste r-kwadraat waarden zijn te vinden op kanaal 9, 10, 17, 18, en 19, die de contralaterale kant gebied van motorische cortex te dekken.

Discussion

1. Het is essentieel dat de elektrode impedanties laag zijn, maar dat te veel gel werd niet gebruikt om de impedantie te verlagen. Een slechte kanaal kan invloed hebben op alle anderen door de common-gemiddelde van referentie. Als de impedantie kan niet gereduceerd worden na verschillende pogingen, is het aanbevolen dat een quick-insert elektrode worden gebruikt, die eenvoudig kan worden ingevoegd in de slechte elektrode door het gat dat de naald is geplaatst door voor het injecteren van de gel, en de tape op zijn plaats.
2. Tijdens de eerste sessie, kan het onderwerp moeite hebben met voorstelling van de gewenste bewegingen. In dit geval kan het nuttig zijn om ze eerst de echte bewegingen, en voer de offline analyse van de werkelijke beweging gegevens. Configureer de cursor beweging sessie als voorheen met de werkelijke beweging van gegevens, en hebben het onderwerp gebruik maken van de werkelijke bewegingen om te proberen om de cursor te verplaatsen. Na een paar runs, hebben ze geleidelijk aan stoppen met het maken van de werkelijke beweging, totdat ze volledig gestopt. Na een aantal sessies, de meeste gebruikers stoppen met het gebruik motor imagery helemaal, en in plaats daarvan alleen maar "verplaatsen" van de cursor.

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)