Använda ett EEG-baserad Brain-Computer Interface för Virtual flytta markören med BCI2000

Summary

I denna video visar vi de steg som krävs för att köra en hjärna-dator gränssnitt experiment, inklusive installation av EEG mössa, kalibrera systemet och utbildning för användaren att flytta en markör i två dimensioner med hjälp av inbillade rörelser.

Abstract

En hjärna-dator gränssnitt (BCI)-funktioner genom att översätta en neural-signal, såsom elektroencefalogram (EEG), till en signal som kan användas för att styra en dator eller annan enhet. Amplituden av EEG-signaler i valda frekvensen soptunnor mäts och översätts till en enhet kommandot, i detta fall den horisontella och vertikala hastighet en dator markör. Först är EEG-elektroderna appliceras på användarens s hårbotten med hjälp av en mössa för att registrera hjärnaktivitet. Nästa är en kalibreringen används för att hitta EEG-elektroder och funktioner som användaren ska lära sig att frivilligt modulera att använda BCI. Hos människa, kraften i mu (8-12 Hz) och beta (18-28 Hz) frekvensband minskning av amplituden under en verklig eller inbillad rörelse. Dessa förändringar kan upptäckas i EEG i realtid, och används för att styra en BCI ([1], [2]). Därför, under en screeningtest, ombeds användaren att göra flera olika inbillade rörelser med sina händer och fötter för att bestämma unika EEG funktioner som förändras i och med inbillade rörelser. Resultaten från denna kalibrering kommer att visa de bästa kanalerna att använda, vilket är konfigurerade så att amplituden förändringar i mu och beta frekvensband flytta markören horisontellt eller vertikalt. I detta experiment är det allmänna syftet BCI-system BCI2000 användas för att styra signalen förvärv, signalbehandling, och återkoppling till användaren [3].

Protocol

Tillvägagångssätt

1. Anslutning av EEG-elektroder
   1. Elektroder kommer att bifogas i hårbotten med hjälp av ett EEG-mössa, det förenklar processen att se till att elektroderna på rätt plats i hårbotten, som anges av 10-20 internationella systemet.
   2. För att placera locket, markera vertex på motivets hårbotten med en filtpenna eller någon annan liknande metod. För att göra det, börja med att placera nasion och Inion i ämnet. Använda ett måttband, hitta avståndet mellan dessa två platser. Punkten mittemellan de två punkter, eller 50% av avståndet, är vertex. Gör en markering vid den punkten för senare användning. Andra 10-20 poäng kan placeras på ett liknande sätt.
   3. Hitta Cz elektroden på locket, och placera den på vertex. Hålla Cz fast, lyft locket på huvudet. Se till att Fz, Cz, och Pz elektroder på mittlinjen i hårbotten, och att O1-O2 elektroder är horisontella och nivå med Oz, och att FP1-FP2 är i nivå med Fpz.
   4. Nu ansluter du referens, som normalt klipp på en örsnibben.
   5. Vidare är elektroderna fylls med en gel, så att elektroderna gör en låg impedans kontakt med hårbotten. För att göra det är en liten spruta med en trubbig spets nål fylld med gel. Dessutom kan det vara bra att se EEG-spår på skärmen medan gel tillämpas för att avgöra om anslutningen är bra.
   6. Stick in nålen i en elektrod, och försiktigt slipa hårbotten med nålen för att avlägsna döda hudceller. Fyll elektrod med en liten mängd gel, var noga med att inte överfylla den. Börja med örat som referens, och upprepa för alla elektroder, inklusive marken.
   7. Kontrollera impedansen för alla kanaler, som alla bör vara mindre än 5 kohm. Denna metod kommer att variera beroende på den särskilda förstärkare systemet används, men det bör vara möjligt att kontrollera impedansen antingen genom hårdvaran eller genom BCI2000.
   8. Om en elektrod är över 5 kOhm, in nålen igen, och skava på hårbotten lite mer. Det borde inte vara nödvändigt att injicera mer gel, såvida det inte finns några minskningar i impedans.
2. Skaffa EEG Kalibrering funktioner
   1. I början av en session, speciellt första gången ett ämne är testas, är det lämpligt att bestämma EEG-funktioner som kan användas för att styra en BCI. Detta beror på att även om det grundläggande egenskaper Mu och Beta EEG rytmer är samma för alla människor, kommer dessa egenskaper varierar från person till person, och därför måste kalibreras innan någon annan experiment.
   2. I kalibreringen sessionen är föremål instrueras att föreställa sig olika rörelser med sina händer eller fötter som svar på visuella referenser presenteras på skärmen. För att komma igång, bör datasystemet vara konfigurerad för dubbla skärmar läge, så att forskaren display innehåller styrprogram, och den andra monitorn visar den experimentella utgång.
   3. Starta BCI2000 från BCI2000Launcher genom att välja din modul förstärkare källa, ARSignalProcessing modulen och StimulusPresentation modul. I detta exempel använder vi gUSBampSource modul som styr g.USBamp förstärkaren.
   4. Lägg till parametern filer för ditt ämne, förstärkaren, och motorn uppgifter screening. Dessa bör konfigureras i förväg, så att de kan enkelt laddas, och experimentet kan börja.
   5. När parametern filerna har lagts till i fillistan i BCI2000Launcher, tryck på Starta-knappen. Om allt fungerade korrekt bör BCI2000 start, ett spår av EEG-data som ska visas, och ämnet bildskärm bör vara tom före starten av försöket.
   6. Under sessionen kommer skärmen vara antingen tomt, eller visa en instruktion, som "Höger", "Left Hand", "båda händerna" eller Instruktionen kommer att visas på skärmen för 3s "båda fötterna." Under denna tid bör motivet föreställa kontinuerligt rörelsen. Den handrörelser ska vara öppna och stänga händerna (t ex, som klämmer en tennisboll) och foten rörlighet bör röra fötterna fram och tillbaka (till exempel, som att trycka på en gaspedalen med båda fötterna). När skärmen är tom, ska kroppen vara helt avslappnad.
   7. Under en körning, varje kroppsdel ​​upprepas 20 gånger. Helst bör det finnas 100 datapunkter, vilket innebär att det bör finnas totalt 5 körningar. Med flera sessioner, färre körningar är nödvändiga, eftersom ämnet har möjlighet att utföra den tänkta uppgiften bättre.
3. Analysera EEG Funktioner
   1. För att avgöra vilken EEG-funktioner i ämnet har möjlighet att frivilligt modulera i syfte att kontrollera BCI är kalibreringsdata analyseras inte med hjälp av BCI2000 Offline analysverktyg, som ingår i BCI2000. Detta verktyg konverterar insamlade data till frekvensplanet ferer, som visar frekvenser och platser som förändrats under olika rörelser, och är maximalt korrelerade med uppgifter. Dessa funktioner kan sedan användas i en BCI experiment.
   2. För att avgöra vilka funktioner som ska användas, starta BCI2000 Offline analysverktyg. BCI2000 innehåller en omfattande handledning för att använda analysverktyget, som bör konsulteras för mer information.
   3. Bestäm vilka EEG-funktioner är starkt korrelerad med varje rörelse genom att hitta den stora R-squared värdena i tomter produceras från analysverktyg. De kanaler och lådor ofta den största R-kvadrat värde (t.ex. större än 0,2) kan sedan väljas ut som en styrsignal komponent för en viss riktning. Till exempel bör funktioner som ändras för höger hand tillstånd sättas upp för att flytta markören till höger sida av skärmen.
   4. Det är också viktigt att komma ihåg att ME / Beta rytmer minskning i amplitud med en tillhörande rörelse. Så, för att flytta markören till höger, den positiva x-riktning, bör denna funktion ha en negativ vikt associerade med den.
   5. Kanalerna och valt frekvenser bör vara förenliga med kända egenskaper kortikal sensomotoriska rytmer. Det är om betydande förändringar som motsvarar föreställt högra rörelsen ses över kontralaterala (vänster) motoriska hjärnbarken, nära C3 och CP3 och centrerad nära 8-12 Hz och / eller 18-28 Hz. Likaså bör vänster hand rörelser resultera i förändringar över höger motor cortex på C4 och CP4 elektroder och fot rörelser ska visas över CZ och CPZ. Om dessa platser och värderingar är olika, så är det troligt att något annat buller eller slumpmässig effekt mättes, och bör inte vara konfigurerad som en kontroll funktion.
   6. För varje tillstånd, bör de fyra största R-kvadrat värde väljas i termer av kanalnummer och bin nummer. Frekvenserna är ordnade i 2 Hz lådor, så en funktion med en hög R-kvadrat från 10 till 12 Hz verkar i bin 6. Med dessa värden i hand, kan systemet konfigureras för markören kontroll uppgift.
4. Online Feedback Session Configuration
   1. Konfigurera markörförflyttningen session i BCI2000 Launcher.
   2. Innan du startar experimentet flera parametrar måste konfigureras. Först bör den rumsliga filtret kan konfigureras med en gemensam genomsnittet referens. För att göra detta, tryck Config i BCI2000 operatören för att få upp inställningarna för listan och tryck på filtrering fliken.
   3. Gå till SpatialFiltering, och ändra SpatialFilterType listrutan så att det står "Common-Genomsnittligt referens (CAR)."
   4. Enligt SpatialFilter CAR Output, lista kanalen namn eller nummer som valts i kalibreringen sessionen. Till exempel kan du skriva "C3 CP3 C4 CP4 Cz CPZ" (utan citattecken), och BCI2000 vet vilka kanaler som ska användas (förutsatt att kanalen etiketterna listas under "kanalnamn" fält i fliken Källa).
   5. Därefter måste klassificeringen matrisen konfigureras för att använda den valda funktioner. Under Filtrera fliken gå till classifier parameter och tryck på Redigera Matrix.
   6. Antalet kolumner ska anges till 4 och antalet rader bör vara lika med det totala antalet valda funktioner. Varje matris rad motsvarar en enskild funktion.
   7. Den första kolumnen ska innehålla alla de kanalnamn som används, t ex C3, C4, etc. Den andra kolumnen innehåller lådorna väljs ut för kontroll. Det är möjligt antingen ange en papperskorg nummer eller en särskild frekvens, skriva in "6" eller "11Hz" kommer att välja samma bin, förutsatt att BinWidth parametern är "2 Hz" under fliken Källa. Den tredje kolumnen är utgångskanal, ett värde på "1" motsvarar horisontell rörelse, och "2" motsvarar vertikala rörelser. Kanalerna C3, CP3, C4 och CP4 bör sättas till 1 för en övergripande kontroll över pekaren uppgift, C3, CP3, C4, CP4 bör CZ och CPZ sättas till 2 för en vertikal markör kontroll uppgift. Slutligen har den fjärde kolumnen funktionen vikt och bör motsvara den motsatta avsedd riktning, bör t.ex. C3 och CP3 vägas -1 för att flytta markören till höger, och C4 och CP4 bör vägas en att flytta det åt vänster. För att flytta markören nedåt, bör CZ och CPZ vägas 1, och för att flytta markören uppåt ska C3 och C4 vägas -1.
5. Markörförflyttningen Task
   1. Nu när systemet är konfigurerat med rätt inställningar är det dags att börja den experimentella uppgiften.
   2. Systemet är konfigurerat så att ett av fyra mål kommer att visas under en rättegång. Ämnet har som mål att flytta markören till rätt mål med hjälp av inbillade rörelser som motsvarar önskad rörelseriktning (t.ex. höger för att flytta höger fot för att flytta ner, etc).
   3. För första försöken är markören begränsas till mittlinjen av målet. Det är, om målet är på toppen eller botten, är detendast möjligt att flytta markören uppåt eller nedåt, och om det är på vänster eller höger på skärmen, kan markören endast flyttas åt vänster eller höger.
   4. När körningen startar visas bokstaven "T" på skärmen i 2 sekunder. Därefter visas ett av målen för en sekund.
   5. Efter detta 1-andra perioden, visas markören i mitten av skärmen. Ämnet används lämpliga inbillade rörelser för att styra markören till målet. Om motivet träffar målet ändrar den färg. I övrigt har frågan 5 sekunder för att nå målet innan sessionen tiden ut och räknas som en miss.
   6. Efter rättegången finns det en 2 sekunders inter-rättegången intervall under vilket motivet kan slappna av, blinka, svälja, eller på annat sätt och justera positioner. Under försöken bör rörelsen hållas till ett absolut minimum för att minska rörelse artefakter eller artefakter muskler. Det är också bra att sitta i ett svagt upplyst rum i en bekväm stol.
   7. Efter 20 försök, går BCI2000 i viloläge. Under denna tid kan det vara nödvändigt att åter justera vissa inställningar om motivet är oförmögen att flytta markören.
   8. Om du efter fyra körningar motivet är fortfarande inte volitionally flytta markören, kan det vara nödvändigt att åter analysera insamlade data i BCI2000 Offline analysverktyg. Välj den nya kanaler och frekvenser baseras på den nya funktionen tomter. Det kan ta flera körningar eller möjligen flera sessioner innan ett ämne kan bli skickliga på uppgiften.

Del 6: representativa resultat:

1. Figur 1 och 2 visar R-kvadrat värde och hårbotten topografi för kalibreringen, som anger vilka kanaler och papperskorgar frekvens ska väljas för kontroll över markören.
2. En utbildad ämnet bör snabbt kunna flytta markören till den angivna målet inom 1 eller 2 sekunder.

Figur 1 a) och b) topografi spektrala förändringar i 10-12 Hz-bandet under verkliga och inbillade rörelser med höger hand. C) kraftspektrum på C3 under resten (streckad) och rörelse (fast). D) R-kvadrat av strömmen under rörelse jämfört med vila.

Figur 2 R-kvadrat i alla kanaler för inbillade höger rörelse. X-axeln är frekvensen i 2 Hz lådor från 0 till 70 Hz. Y-axeln är kanalnumret. Den högsta R-kvadrat värde finns på kanal 9, 10, 17, 18 och 19, som täcker kontralaterala handen området motoriska cortex.

Discussion

1. Det är viktigt att elektroden impedansen är låg, men att för mycket gel inte användas för att sänka impedansen. En enda dålig kanal kan påverka alla de andra genom de gemensamma genomsnittet referens. Om impedansen inte kan reduceras efter flera försök, rekommenderas att en snabb Sätt elektrod användas, som helt enkelt kan infogas i den dåliga elektroden genom hålet att nålen är placerad igenom för att injicera gel, och tejpade på plats.
2. Under den första sessionen, kan ämnet ha svårt att föreställa den önskade rörelser. I detta fall kan det vara bra att ha dem att göra det verkliga rörelser först, och utföra offline analys den verkliga rörelsen uppgifter. Konfigurera markörförflyttningen session som förut med den verkliga rörelsen uppgifter, och har motivet att använda verkliga rörelser för att försöka flytta markören. Efter några körningar, har dem gradvis sluta göra den verkliga rörelsen, tills de har slutat helt. Efter flera sessioner, de flesta användare sluta använda motorn bildspråk helt och hållet, och istället bara "flytta" markören.

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)