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

Biology

Your institution must subscribe to JoVE's Biology section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

В этом видео, мы демонстрируем шаги, необходимые для запуска интерфейса мозг-компьютер эксперимента, в том числе создание ЭЭГ шапка, калибровка системы, обучение пользователей, чтобы переместить курсор в двух измерениях, используя себе движениями.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Wilson, J. A., Schalk, G., Walton, L. M., Williams, J. C. Using an EEG-Based Brain-Computer Interface for Virtual Cursor Movement with BCI2000. J. Vis. Exp. (29), e1319, doi:10.3791/1319 (2009).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Интерфейса мозг-компьютер (BCI) функций перевода нейронных сигналов, таких как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), в сигнал, который может быть использован для управления компьютером или другим устройством. Амплитуды сигналов ЭЭГ в отдельных бункерах частоты измеряются и переведены на устройство команда, в данном случае горизонтальной и вертикальной скорости компьютера курсора. Во-первых, ЭЭГ электроды применяются к голове пользователя с использованием крышки для записи активности мозга. Далее, процедура калибровки используется для поиска ЭЭГ электродов и функции, которые пользователь будет учиться добровольно модулировать использовать BCI. У людей, власти в му (8-12 Гц) и бета (18-28 Гц) частотных диапазонах уменьшение амплитуды во время реального или воображаемого движения. Эти изменения могут быть обнаружены в ЭЭГ в режиме реального времени, а также используется для управления BCI ([1], [2]). Поэтому во время скрининг-тест, пользователю предлагается сделать себе несколько различных движений руками и ногами, чтобы определить уникальные функции ЭЭГ, которые изменяются с себе движениями. Результаты этого калибровки покажут лучшие каналы в использовании, которые настроены так, что амплитуда изменения в мю-и бета-диапазонах частот переместить курсор по горизонтали или по вертикали. В этом эксперименте общего назначения BCI системы BCI2000 используется для контроля сигнала приобретения, обработки сигналов, а также обратную связь с пользователем [3].

Protocol

Экспериментальная процедура

  1. Подключение ЭЭГ Электроды
    1. Электроды будут прикреплены к коже головы использованием ЭЭГ колпачок; это упрощает процесс обеспечения того, чтобы электроды в соответствующем месте на коже головы, как указано в 10-20 международной системы.
    2. Чтобы разместить шапку, знак вершиной на кожу головы субъекта использованием фломастером или другой подобный метод. Для этого необходимо начать с размещения Насьон и затылочного бугра по этому вопросу. Использование рулеткой, найти расстояние между этими двумя точками. Точка на полпути между двумя точками, или 50% от расстояния, это вершина. Сделайте отметку на тот момент для дальнейшего использования. Другие 10-20 пунктов могут быть расположены в подобной манере.
    3. Найти электрода Cz на крышке, и разместите его на вершину. Хранение Cz фиксированной, скольжения крышку на голове. Убедитесь, что Fz, Cz и Pz электроды находятся на средней линии головы, и что O1-O2 электроды горизонтальным и ровным с Оз, и что Fp1-Fp2 на одном уровне с ФПЦ.
    4. Теперь приложите электрод, который обычно крепится мочку уха.
    5. Затем электроды заполнены проводящего геля, чтобы сделать электроды с низким сопротивлением контакта с кожей головы. Чтобы сделать это, маленький шприц с тупым наконечником иглы заполнен гелем. Кроме того, это может быть полезно, чтобы увидеть следы ЭЭГ на экране компьютера, в то время как гель применяется для определения того, соединение хорошо.
    6. Вставьте иглу в электрод и осторожно отшлифуйте скальп с иглой, чтобы удалить мертвую кожу. Заполнить электрод с небольшое количество геля, соблюдая осторожность, чтобы не переполнять ее. Начните с электродом сравнения уха, и повторять для всех электродов, в том числе землей.
    7. Проверка сопротивления для всех каналов, которые все должны быть менее 5 кОм. Этот метод будет варьироваться в зависимости от конкретной системы усилителя используется, но это должно быть возможно проверить сопротивление либо с помощью аппаратного или через BCI2000.
    8. Если электрод более 5 кОм, вставить иглу снова, и обдирать кожу головы еще немного. Оно не должно быть необходимости вводить более геля, если Есть не уменьшается в сопротивление.
  2. Получение ЭЭГ Особенности калибровки
    1. В начале сессии, особенно в первый раз тема проходит испытания, это полезно для определения ЭЭГ особенности, которые могут быть использованы для управления BCI. Это потому, что хотя основные свойства Му-и бета-ритмов ЭЭГ являются одинаковыми для всех людей, эти функции будут меняться от человека к человеку, и, следовательно, должна быть тщательно выверена до любых других экспериментов.
    2. В калибровке сессии, тема поручено представить различных движений, связанных с их руками или ногами в ответ на визуальные сигналы, представленные на мониторе. Чтобы начать работу, компьютерная система должна быть сконфигурирована для двух мониторов режим, так что дисплей исследователя содержит программное управление, а второй монитор отображает экспериментальные производства.
    3. Начало BCI2000 от BCI2000Launcher, выбрав свой усилитель модуля источника, ARSignalProcessing модуль и модуль StimulusPresentation. В этом примере мы используем gUSBampSource модуль, который контролирует g.USBamp усилителя.
    4. Добавить параметр файлы для вашего предмета, усилителя и моторных задач скрининга. Они должны быть настроены заранее, так что они могут быть просто загружены, и эксперимент может начаться.
    5. Как только параметр файлы были добавлены в список файлов в BCI2000Launcher, нажмите кнопку Запуск. Если все работает правильно, BCI2000 должны начать, следов ЭЭГ данные должны появиться, и контроль субъекта должно быть пустым до начала эксперимента.
    6. В ходе заседания, на экране будут либо пустые, либо показать, такими, как "правая рука", "Левая рука", "обеими руками", или инструкция будут появляться на экране в течение 3 с "обеих ног.", Во время это время, этот вопрос должен непрерывно представить движение. Движения рук должны быть открытия и закрытия руки (например, как сжатие теннисного мяча), а нога движения должны двигаться ноги назад и вперед (например, как нажатие на педаль газа с обеих ног). Если экран остается пустым, тело должно быть полностью расслаблены.
    7. В перспективе, каждую часть тела повторяется 20 раз. В идеале, не должно быть 100 точек данных, а это означает, что должно быть в общей сложности 5 трасс. С несколькими сессиями, меньше работает необходимы, так как объект находится в состоянии выполнить задачу себе лучше.
  3. Анализ ЭЭГ Особенности
    1. Для того, чтобы определить, какие функции ЭЭГ субъект способен добровольно модулировать с целью контроля BCI, калибровки данные анализируются, оффлайн, используя BCI2000 Offline инструмент анализа, включенные в BCI2000. Этот инструмент преобразует собранных данных в частотной области FeТемпературы, который показывает, частот и мест, которые изменились в процессе различных движений и максимально коррелирует с задачами. Эти возможности могут быть использованы в эксперименте BCI.
    2. Чтобы определить, какие функции следует использовать, начните BCI2000 Offline инструмент анализа. BCI2000 включает в себя обширную обучающую программу для использования инструмента анализа, к которым следует обращаться за дополнительной информацией.
    3. Определите, какие функции ЭЭГ, очень тесно связаны друг с движением, находя большом г-квадрат значения в участках производится из инструмента анализа. Каналы и частоты бункеров с крупнейшими т-квадрат значения (например, более 0,2) может быть выбрана в качестве компонента управляющего сигнала в определенном направлении. Например, функции, изменения для правой руки условием должна быть создана, чтобы переместить курсор к правой стороне экрана.
    4. Важно также помнить, что Mu / Beta ритмы уменьшение амплитуды связанные движения. Итак, для того, чтобы переместить курсор вправо, положительных х-направлении, эта функция должна иметь отрицательный вес, связанные с ним.
    5. Каналов и частот должны быть выбраны в соответствии с известными свойствами корковых ритмов сенсомоторной. То есть, значительные изменения, соответствующие себе право движением руки должны рассматриваться в течение контралатеральной (слева) моторной коры, вблизи C3 и СР3 и центром около 8-12 Гц и / или 18-28 Гц. Кроме того, левые движения руки должны привести к изменениям над правой моторной коры на C4 и CP4 электродов, и ногам движения должны появиться над Ч. и CPz. Если эти места и значения различны, то вполне вероятно, что некоторые другие шумы или случайный эффект был измерен, и не должен быть настроен как контролировать функцию.
    6. Для каждого условия, четыре крупнейших т-квадрат значения должны быть выбраны с точки зрения числа каналов и бен номер. Частот расположены в 2 Гц бункеров, поэтому возможность с высокой т-квадрат с 10-12 Гц появится в бен 6. С помощью этих значений в стороны, система может быть настроена для курсора задача контроля.
  4. Интернет Конфигурация сессии Обратная связь
    1. Настройка курсора сессии движение в BCI2000 Launcher.
    2. Перед началом эксперимента, некоторые параметры должны быть настроены. Во-первых, пространственный фильтр должен быть настроен с общим средним ссылки. Для этого нажмите кнопку Config в BCI2000 оператора, чтобы открыть список параметров и нажмите вкладку Фильтрация.
    3. К SpatialFiltering, а также изменить SpatialFilterType выпадающего списка, так что он говорит: "Common-Средняя задание (ЦАР)."
    4. Под выходной CAR SpatialFilter, список каналов имен или номеров, выбранных в калибровке сессии. Например, вы можете набрать "C3 C4 CP3 CP4 Cz CPz" (без кавычек) и BCI2000 будет знать, какие каналы использовать (при условии, что канал этикетки Вы найдете в разделе "Канал имена» поля в закладке Источник).
    5. Далее, матрица классификации должен быть настроен на использование функции выбран. Под вкладку Фильтрация, перейдите к параметру классификатор и нажмите Edit Matrix.
    6. Количество столбцов должно быть установлено до 4, и количество строк должно быть равно общему числу признаков, отобранных. Каждая матрица строка соответствует индивидуальная особенность.
    7. Первый столбец должен содержать все имена каналов используются, например, C3, C4 и т.д. Вторая колонка содержит бункеров, отобранных для контроля. Можно ввести либо номер страницы или определенной частоты, введя "6" или "11Hz" будет выбран тот же лоток, при условии, что BinWidth параметр "2 Гц" при закладке Источник. Третий столбец выходной канал; значение "1" соответствует горизонтальное движение, и "2" соответствует вертикальное движение. Каналы C3, СР3, C4 и CP4 должен быть установлен в 1 для горизонтальной задачей управления курсором; С3, СР3, С4, CP4, Cz и CPz должен быть установлен в 2 для вертикальной задачи управления курсором. Наконец, четвертый столбец содержит функцию веса, и должна соответствовать противоположным предназначен направлении, например, С3 и CP3 должны быть взвешены -1, чтобы переместить курсор вправо, а С4 и CP4 должны быть взвешены 1, чтобы переместить его влево. Чтобы переместить курсор вниз, Cz и CPz должны быть взвешены 1, и для перемещения курсора вверх, С3 и С4 должны быть взвешены -1.
  5. Курсор целевая движения
    1. Теперь, когда система настроена с правильными настройками, настало время, чтобы начать экспериментальную задачу.
    2. Система настроена так, что один из четырех объектов появится в суде. Целью субъекта является для перемещения курсора к правильной цели использования представить движения, соответствующую нужному направлению движения (например, правой рукой движение вправо, ноги, чтобы двигаться вниз, и т.д.).
    3. Для первых испытаний, курсор вынужден оси цели. То есть, если цель находится в верхней или нижней, этовозможно только для перемещения курсора вверх или вниз, и если она находится на левой или правой части экрана, курсор можно перемещать только влево или вправо.
    4. Когда начинает работать, буква "Т" появляется на экране на 2 секунды. Далее, одной из задач появляется на 1 секунду.
    5. После этого 1-второго периода, появляется курсор в центр экрана. Субъект использует соответствующие себе движениями направить курсор на цель. Если объект попадает в цель, он меняет цвет. В противном случае, субъект имеет 5 секунд, чтобы поразить цель до начала сессии, раз-, и засчитывается как промах.
    6. После суда, есть 2 секунды между судом, в течение которого субъект может расслабиться, мигать, ласточка, или в противном случае переформирования позиций. Во время испытаний, движение должно быть сведено к абсолютному минимуму, чтобы уменьшить движение артефакты или мышечные артефакты. Это также выгодно, чтобы сидеть в тускло освещенной комнате в удобном кресле.
    7. После 20 испытаний, BCI2000 входит взвешенном состоянии. За это время, это может быть необходимо заново настроить некоторые параметры, если предмет не может двигаться курсор.
    8. Если после 4 работает тема еще не в состоянии volitionally перемещения курсора, может возникнуть необходимость повторного анализа собранных данных в BCI2000 Offline инструмент анализа. Выбор новых каналов и частот на основе новых участков функцию. Это может занять несколько прогонов или, возможно, несколько сеансов, прежде чем субъект может стать специалистами в задаче.

Часть 6: Представитель Результаты:

  1. На рисунках 1 и 2 показывают, т-квадрат ценностей и кожи головы топографии для калибровки, с указанием, какие каналы и частоты бункеров должны быть выбраны для управления курсором.
  2. Обучение субъект должен иметь возможность быстро переместить курсор на цель показать в течение 1 или 2 секунды.

Рис 1

Рисунок 1) и В) Топография спектральных изменений в 10-12 Гц группы во время реальных и воображаемых движений правой рукой. С) спектр мощности на С3 во время отдыха (пунктир) и движение (твердые). D) т-квадрат власти во время движения по сравнению с остальными.

Рис 2

Рисунок 2 т-квадрат по всем каналам для себе правую движения. Х-оси частот в 2 Гц бункеров от 0 до 70 Гц. У-ось номер канала. Высокая т-квадрат значения находятся на каналы 9, 10, 17, 18 и 19, которые охватывают области контралатеральной руки моторной коры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

  1. Очень важно, чтобы электрод сопротивления низкие, но, что слишком много геля не используется для снижения сопротивления. Ни одного плохого канала может влиять на все другие через общий средний ссылки. Если сопротивление не может быть уменьшен после нескольких попыток, рекомендуется, чтобы быстро вставить электрод быть использован, которые могут быть просто вставляется в плохих электрода через отверстие, которое игла, размещаемых путем для инъекций геля, и в записи на месте.
  2. Во время первой сессии, субъект может испытывать трудности воображая необходимых движений. В этом случае, это может быть полезно, чтобы их сделать реальными движениями во-первых, и выполнять автономный анализ данных в реальном движении. Настройка курсора сессии движения по-прежнему с реальным перемещением данных, и тема использования фактического движения к перемещению курсора. После нескольких прогонов, чтобы они постепенно прекратить делать реальное движение, пока они не остановились полностью. После нескольких сеансов, большинство пользователей отказаться от использования двигателя изображения в целом, и вместо этого просто "двигаться" курсора.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Клиническая программа обучения Neuroengineering (1 DK070079 T90-01)
Уоллес H Coulter фонда
NIH Институциональные клинической и Поступательное науки премию
NIH / NCRR 1KL2RR025012-01
Висконсин выпускников исследовательский фонд

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fabiani, G. E., McFarland, D. J., Wolpaw, J. R., Pfurtscheller, G. Conversion of eeg activity into cursor movement by a brain-computer interface (bci). IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering. 12, (3), 331-338 (2004).
  2. Wolpaw, J. R., McFarland, D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proc Natl Acad Sci USA. 101, (51), 17849-17854 (2004).
  3. Schalk, G., McFarland, D. J., Hinterberger, T., Birbaumer, N., Wolpaw, J. R. Bci2000: a general-purpose brain-computer interface (BCI) system. IEEE transactions on bio-medical engineering. 51, (6), 1034-1043 (2004).

Comments

3 Comments

  1. In the book Bug Park by James Hogan, a device he named Direct Neural Interface was used to move a fully articulated bug sized robot with the mind. Can you get there from here? And are not abductive networks the only means for the non invasive way there?
    http://deepcomputedbciashortstory.blogspot.com/ See My way.

    Reply
    Posted by: gary m.
    December 6, 2009 - 1:26 AM
  2. In the book Bug Park by James Hogan, a device he named Direct Neural Interface was used to move a fully articulated bug sized robot with the mind. Can you get there from here? And are not abductive networks the only means for the non invasive way there?
    http://deepcomputedbciashortstory.blogspot.com/ See My way.

    Reply
    Posted by: gary m.
    December 6, 2009 - 1:37 AM
  3. In the book Bug Park by James Hogan, a device he named Direct Neural Interface was used to move a fully articulated bug sized robot with the mind. Can you get there from here? And are not abductive networks the only means for the non invasive way there?
    http://deepcomputedbciashortstory.blogspot.com/ See My way.

    Reply
    Posted by: gary m.
    December 6, 2009 - 1:48 AM

Post a Question / Comment / Request

You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

Usage Statistics