باستخدام EEG المستندة إلى الدماغ الحاسوب واجهة لحركة المؤشر الظاهري مع 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

في هذا الفيديو ، ونحن لشرح الخطوات المطلوبة لتشغيل تجربة واجهة المخ الكمبيوتر ، بما في ذلك وضع سقف EEG ، معايرة النظام ، وتدريب المستخدم لنقل المؤشر في بعدين باستخدام حركات متوهمة.

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

واجهة المخ الكمبيوتر (بي سي آي) وظائف عن طريق ترجمة إشارة العصبية ، مثل الكهربائي (EEG) ، في إشارة والتي يمكن استخدامها للسيطرة على جهاز الكمبيوتر أو أي جهاز آخر. يتم قياس سعة الإشارات EEG في صناديق تردد مختارة ومترجمة إلى قيادة الجهاز ، في هذه الحالة سرعة الأفقي والرأسي للمؤشر الكمبيوتر. أولا ، يتم تطبيق أقطاب EEG لفروة الرأس للمستخدم ليالي باستخدام غطاء لتسجيل نشاط المخ. المقبل ، يتم استخدام إجراء المعايرة لإيجاد أقطاب EEG والميزات التي سوف يتعلم المستخدم لتعديل طوعا إلى استخدام BCI. في البشر ، وقوة في مو (12/08 هرتز) وبيتا (18-28 هرتز) نطاقات التردد الانخفاض في السعة خلال حركة حقيقية أو متوهمة. ويمكن الكشف عن هذه التغييرات في التخطيط الدماغي في الوقت الحقيقي ، وتستخدم للسيطرة على BCI ([1] ، [2]). ولذلك ، وخلال الفحص ، يطلب من المستخدم لجعل العديد من الحركات المختلفة يتصور بأيديهم وأقدامهم لتحديد الميزات الفريدة EEG هذا التغيير مع حركات متوهمة. إلا أن النتائج من هذه المعايرة عرض أفضل لاستخدام القنوات ، والتي تم تكوينها بحيث تغييرات في السعة ونطاقات التردد مو بيتا تحريك المؤشر إما أفقيا أو رأسيا. في هذه التجربة ، يستخدم لأغراض عامة BCI BCI2000 نظام للسيطرة على اقتناء إشارة معالجة الإشارات ، وردود الفعل للمستخدم [3].

Protocol

الإجراءات التجريبية

  1. توصيل الأقطاب الكهربائية EEG
    1. وسيلحق الأقطاب على فروة الرأس باستخدام غطاء الدماغي ، وهذا يبسط عملية التأكد من أن الأقطاب هي في المكان الصحيح على فروة الرأس ، كما هو محدد من قبل النظام الدولي 10-20.
    2. لوضع سقف ، علامة على فروة الرأس لهذا الموضوع باستخدام قلم شعر معلومات سرية أو بعض الطرق الأخرى المماثلة. للقيام بذلك ، تبدأ من خلال تحديد موقع nasion inion وحول هذا الموضوع. باستخدام شريط قياس ، والعثور على المسافة بين هذين الموقعين. في منتصف الطريق بين نقطة ونقطتين ، أو 50 ٪ من المسافة ، هو الرأس. جعل علامة على هذه النقطة للرجوع اليها في وقت لاحق. يمكن أن يكون موجودا في غيرها من نقاط 10-20 بطريقة مماثلة.
    3. العثور على القطب تشيكوسلوفاكيا على الغطاء ، ووضعه على قمة الرأس. حفظ تشيكوسلوفاكيا الثابتة ، زلة غطاء على الرأس. تأكد من أن أقطاب FZ ، تشيكوسلوفاكيا ، وPZ هي على خط الوسط من فروة الرأس ، وأنه الأقطاب O1 - O2 أفقية والمستوى مع عوز ، وأن FP1 - FP2 يتساوى مع Fpz.
    4. الآن نعلق القطب المرجعية ، التي عادة على مقاطع an شحمة الأذن.
    5. المقبل ، وتملأ الأقطاب مع جل موصل بحيث الأقطاب إجراء اتصال منخفضة المعاوقة مع فروة الرأس. للقيام بذلك ، يتم تعبئة حقنة صغيرة بإبرة حادة ذات الرؤوس مع هلام. أيضا ، قد يكون من المفيد أن نرى آثار EEG على شاشة الكمبيوتر ، بينما يجري تطبيق الجل لتحديد ما إذا كان الاتصال هو جيد.
    6. ادخال الإبرة الى القطب ، وكشط بلطف على فروة الرأس مع الإبرة لإزالة أي الجلد الميت. ملء الكهربائي مع كمية صغيرة من هلام ، والحرص على عدم فعم عليه. تبدأ الأذن الإلكترود المرجعي ، وكرر لجميع الأقطاب ، بما في ذلك الأرض.
    7. التحقق من ممانعات لجميع القنوات ، والتي ينبغي أن تكون جميع أقل من 5 أوم. وهذه الطريقة تختلف تبعا لنظام معين يتم استخدام مكبر للصوت ، ولكن يجب أن يكون من الممكن التحقق من مقاومة سواء من خلال الأجهزة أو من خلال BCI2000.
    8. إذا كان القطب هو أكثر من 5 أوم ، أدخل الإبرة مرة أخرى ، وفروة الرأس يسحل بعض أكثر. ينبغي أن لا يكون من الضروري ضخ مزيد من هلام ، ما لم تكن هناك أي نقص في مقاومة.
  2. الحصول على ميزات المعايرة EEG
    1. في بداية الدورة ، وخاصة أول مرة يجري اختباره في موضوع ما ، فإنه من المفيد تحديد ملامح EEG التي يمكن استخدامها للتحكم في BCI. هذا هو أنه على الرغم من الخصائص الأساسية للمو والإيقاعات EEG بيتا هي نفسها لجميع الناس ، وهذه الميزات تختلف من شخص لآخر ، وبالتالي يجب أن يتم معايرتها قبل إجراء أي تجارب أخرى.
    2. في الدورة المعايرة ، وأوعز هذا الموضوع إلى تصور الحركات المختلفة التي تنطوي على أيديهم أو أقدامهم استجابة لمنبهات البصرية المعروضة على الشاشة. لتبدأ ، ينبغي تكوين نظام كمبيوتر لمراقبة الوضع المزدوج ، بحيث يعرض الباحث يحتوي على برامج التحكم والعرض الثاني يعرض الانتاج التجريبي.
    3. بدء BCI2000 من BCI2000Launcher بتحديد وحدة المصدر مكبر للصوت ، وحدة ARSignalProcessing وحدة StimulusPresentation. في هذا المثال ، نحن نستخدم وحدة gUSBampSource ، التي تسيطر على مكبر للصوت g.USBamp.
    4. إضافة الملفات المعلمة لموضوعك ، مكبر للصوت ، ومهام فحص السيارات. يجب أن يتم تكوين هذه في وقت مبكر ، بحيث يمكن ببساطة أن تكون محملة ، ويمكن بدء التجربة.
    5. بمجرد أن يتم إضافة الملفات المعلمة لقائمة الملفات في BCI2000Launcher ، اضغط على زر التشغيل. إذا كان كل شيء يعمل بشكل صحيح ، يجب أن تبدأ BCI2000 ، تتبع البيانات EEG يجب أن تظهر ، ورصد هذا الموضوع يجب ان تكون فارغة قبل بدء التجربة.
    6. خلال الدورة ، وسوف يكون إما على الشاشة فارغة ، أو عرض تعليمات ، مثل "اليد اليمنى" ، "اليد اليسرى" ، "كلتا يديه" ، أو التعليمة سوف تظهر على الشاشة ل3S "كلا القدمين." ؛ خلال هذه المرة ، يجب أن تخضع باستمرار تصور الحركة. ينبغي أن تكون حركات اليد الافتتاح والختام في أيدي (على سبيل المثال ، مثل الضغط على كرة التنس) ، وحركة الأقدام وينبغي تحريك قدميه ذهابا وإيابا (على سبيل المثال ، مثل الضغط على دواسة البنزين مع كل من قدم). عندما شاشة فارغة ، وينبغي أن يكون الجسم مسترخيا تماما.
    7. أثناء تشغيل ، ويتكرر في كل جزء من الجسم 20 مرة. من الناحية المثالية ، ينبغي أن تكون هناك نقاط البيانات 100 ، مما يعني أنه ينبغي أن يكون هناك ما مجموعه 5 أشواط. مع دورات متعددة ، وعدد أقل من يدير ضرورية ، لأن هذا الموضوع هو قادر على أداء المهمة يتصور أفضل.
  3. تحليل ميزات EEG
    1. من أجل تحديد ملامح EEG هذا الموضوع هو قادر على تعديل طوعا من أجل السيطرة على BCI ، ويتم تحليل البيانات المعايرة حاليا باستخدام أداة التحليل BCI2000 اتصال ، المتضمنة BCI2000. هذه الأداة تحويل البيانات التي تم جمعها في نطاق التردد الحديدatures ، مما يدل على الترددات والمواقع التي تغيرت خلال تحركات مختلفة ، وترتبط مع الحد الأقصى المهام. ويمكن عندئذ أن تستخدم هذه الميزات في تجربة BCI.
    2. لتحديد ما الذي ينبغي أن تستخدم الميزات ، بدء تشغيل أداة تحليل BCI2000 اتصال. يتضمن البرنامج التعليمي BCI2000 واسعة لاستخدام أداة التحليل ، والتي ينبغي استشارة للحصول على مزيد من المعلومات.
    3. تحديد ما هي مرتبطة ارتباطا قويا ميزات EEG مع كل حركة من خلال إيجاد الجذر التربيعي كبيرة القيم في المؤامرات التي تنتج من أداة التحليل. ويمكن بعد ذلك القنوات والترددات مع صناديق القيم أكبر الجذر التربيعي (على سبيل المثال ، أكبر من 0.2) يتم اختيارها كعنصر تحكم مكون إشارة لاتجاه معين. على سبيل المثال ، يجب تعيين الميزات التي تغير لحالة اليد اليمنى يصل الى تحريك المؤشر إلى الجانب الأيمن من الشاشة.
    4. من المهم أيضا أن نتذكر أن مو / إيقاعات بيتا الانخفاض في السعة مع حركة المرتبطة بها. لذا ، من أجل تحريك المؤشر إلى اليمين ، الإيجابية X - الاتجاه ، ينبغي لهذه ميزة لها وزنها السلبية المرتبطة بها.
    5. وينبغي أن القنوات والترددات المختارة أن تكون متسقة مع الخصائص المعروفة من الإيقاعات الحسية القشرية. أي أنه ينبغي أن ينظر إلى تغييرات كبيرة تتناسب مع تصور حركة اليد اليمنى على القشرة الحركية المقابل (يسار) ، وبالقرب من C3 CP3 ، وتركزت قرب 12/08 هرتز و / أو 18-28 هرتز. وبالمثل ، ينبغي أن حركات اليد اليسرى نتيجة التغيرات في أكثر من القشرة الحركية اليمنى على الأقطاب وCP4 C4 ، والحركات القدم يجب أن يظهر أكثر من تشيكوسلوفاكيا وCPz. إذا كانت هذه المواقع وقيم مختلفة ، فمن المرجح أن تم قياس بعض الضوضاء أخرى أو عشوائية الأثر ، وينبغي ألا يكون تكوينه باعتباره ميزة التحكم.
    6. لكل حالة ، يجب أن يتم اختيار أكبر أربع الجذر التربيعي القيم من حيث عدد القنوات وعدد بن لادن. سوف يتم تنظيم الترددات في صناديق 2 هرتز ، وذلك مع ميزة التربيعية ، ص 10-12 هرتز عالية تظهر في بن 6. مع هذه القيم في ناحية ، يمكن تكوين نظام للمهمة مراقبة المؤشر.
  4. ملاحظات على الانترنت تكوين الدورة
    1. دورة تكوين حركة المؤشر في المشغل BCI2000.
    2. قبل بدء التجربة ، والعديد من المعلمات بحاجة إلى أن يتم تكوين. أولا ، يجب أن يتم تكوين عامل التصفية المكانية مع مرجعية مشتركة المتوسط. للقيام بذلك ، اضغط على التكوين في المشغل BCI2000 لإظهار قائمة الإعدادات ، ثم اضغط على التبويب تصفية.
    3. انتقل إلى SpatialFiltering ، وتغيير SpatialFilterType مربع القائمة المنسدلة بحيث تقول "الشائعة المتوسط ​​المرجعي (CAR)."
    4. انتاج سيارات تحت SpatialFilter ، وقائمة أسماء أو أرقام القناة المختارة في الدورة المعايرة. على سبيل المثال ، يمكنك كتابة "C3 C4 CP3 CP4 تشيكوسلوفاكيا CPz" (بدون علامات الاقتباس) ، والتي سوف تعرف BCI2000 القنوات لاستخدام (شريطة أن يتم سرد التسميات قناة ضمن الحقل "أسماء القناة" في علامة التبويب المصدر).
    5. المقبل ، يجب تكوين مصفوفة تصنيف لاستخدام ميزات محددة. تحت علامة التبويب تصفية ، انتقل إلى معلمة تشكيلات الوظائف واضغط على مصفوفة تحرير.
    6. يجب تعيين عدد الأعمدة إلى 4 ، وعدد الصفوف يجب أن تكون مساوية لعدد من الميزات المحددة. كل صف يناظر مصفوفة ميزة فردية.
    7. وينبغي أن العمود الأول يحتوي على أسماء جميع القنوات المستخدمة ، على سبيل المثال ، C3 ، C4 ، وما إلى ذلك العمود الثاني يحتوي على صناديق مختارة من أجل السيطرة. فمن الممكن إدخال إما رقم أو بن تردد معين ؛ دخول "6" أو "11Hz" سيتم تحديد بن نفسه ، شريطة أن تكون المعلمة BinWidth هو "2 هرتز" تحت علامة التبويب المصدر. العمود الثالث هو القناة الناتج ؛ قيمة "1" يتوافق مع الحركة الأفقية ، و "2" يتوافق مع الحركة العمودية. يجب تعيين C3 القنوات ، CP3 ، C4 ، وCP4 إلى 1 لمهمة مراقبة المؤشر الأفقي ؛ C3 ، CP3 ، C4 ، CP4 ، يجب تعيين تشيكوسلوفاكيا وCPz إلى 2 لمهمة مراقبة المؤشر عمودي. أخيرا ، العمود الرابع يحمل ميزة الوزن ، وينبغي أن تتوافق مع الاتجاه المعاكس المقصود ، ينبغي الموزون على سبيل المثال ، C3 وCP3 -1 لتحريك المؤشر الحق ، وينبغي المرجح C4 وCP4 1 إلى تحريكه اليسار. لنقل المؤشر إلى الأسفل ، وينبغي أن المرجح تشيكوسلوفاكيا وCPz 1 ، ونقل ما يصل المؤشر ، ينبغي المرجح C3 و C4 -1.
  5. المؤشر حركة العمل
    1. والآن بعد أن يتم تكوين النظام مع الضبط الصحيح ، فقد حان الوقت لبدء المهمة التجريبية.
    2. يتم تكوين النظام بحيث أن واحدا من اربعة اهداف ستظهر خلال المحاكمة. هدف هذا الموضوع هو لتحريك المؤشر إلى الهدف الصحيح باستخدام حركات يتصور المقابلة إلى الاتجاه المطلوب من الحركة (على سبيل المثال ، اليد اليمنى للانتقال لليمين للانتقال إلى أسفل القدمين ، الخ).
    3. للمحاكمات الأولى ، يتم تقييد المؤشر إلى محور الهدف. وهذا هو ، إذا كان الهدف هو في الجزء العلوي أو السفلي ، فمنالوحيدة الممكنة لتحريك المؤشر صعودا أو هبوطا ، وإذا كان في اليسار أو اليمين من الشاشة ، لا يمكن إلا أن يتم نقل المؤشر إلى اليسار أو اليمين
    4. عندما يبدأ تشغيل ، والحرف "T" يظهر على الشاشة لمدة 2 ثانية. المقبل ، واحدة من الأهداف ليظهر 1 ثانية.
    5. بعد هذه الفترة من 1 والثانية ويظهر المؤشر في منتصف الشاشة. هذا الموضوع يستخدم حركات يتصور المناسبة لتوجيه المؤشر إلى الهدف. إذا كان هذا الموضوع يضرب الهدف ، فإنه يتغير لونها. خلاف ذلك ، فإن الموضوع قد 5 ثوان لتصل الى الهدف قبل الدورة مرات من أصل ويسجل باعتباره تفوت.
    6. بعد المحاكمة ، فإن هناك جملة 2 ثانية للمحاكمة خلال الفترة التي يمكن أن تخضع للاسترخاء ، وميض ، تبتلع ، أو غير ذلك إعادة ضبط المواقف. أثناء المحاكمات ، يجب أن تبقى الحركة إلى أدنى حد ممكن للحد من حركة أو التحف الفنية في العضلات. ومن المفيد أيضا أن يجلس في غرفة مضاءة بشكل خافت في كرسي مريح.
    7. بعد 20 المحاكمات ، BCI2000 يدخل دولة مع وقف التنفيذ. خلال هذا الوقت ، قد يكون من الضروري إعادة ضبط بعض الإعدادات إذا كان الموضوع غير قادر على تحريك المؤشر.
    8. اذا بعد 4 يدير هذا الموضوع لا يزال غير قادر على التحرك volitionally المؤشر ، فإنه قد يكون من الضروري إعادة تحليل البيانات التي تم جمعها في أداة التحليل BCI2000 اتصال. تحديد القنوات والترددات الجديدة على أساس مخططات الميزة الجديدة. قد يستغرق عدة تدير عدة جلسات أو ربما قبل أن تصبح موضوعا بارعا في هذه المهمة.

الجزء 6 : النتائج الممثل :

  1. الأرقام 1 و 2 إظهار القيم الجذر التربيعي والطبوغرافيا فروة الرأس لإجراء المعايرة ، التي ينبغي أن يشير إلى اختيار القنوات والترددات لمراقبة صناديق المؤشر.
  2. وينبغي أن يكون موضوع المدربين تكون قادرة على التحرك بسرعة المؤشر إلى الهدف المبين في حدود 1 أو 2 ثانية.

الشكل 1

الشكل 1 أ) و ب) من التغيرات الطيفية الطوبوغرافيا في النطاق 10-12 هرتز خلال الحركات الحقيقية والمتخيلة مع اليد اليمنى. C) وطيف الطاقة على C3 أثناء الراحة (متقطع) وحركة (الصلبة). D) والجذر التربيعي للطاقة أثناء الحركة بالمقارنة مع بقية.

الشكل 2

الرقم (2) الجذر التربيعي عبر جميع القنوات لحركة اليد اليمنى متوهمة. المحور س هو التردد في صناديق 2 هرتز 0-70 هرتز. في المحور الصادي هو رقم القناة. وتوجد أعلى قيم الجذر التربيعي على القنوات 9 ، 10 ، 17 ، 18 ، و 19 ، والتي تغطي المنطقة من ناحية المقابل القشرة الحركية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

  1. فمن الأهمية بمكان أن ممانعات القطب منخفضة ، لكنه لم يستخدم هذا الجل الكثير لخفض مقاومة. ويمكن لقناة واحدة سيئة تؤثر على جميع الآخرين من خلال مرجعية مشتركة المتوسط. إذا لا يمكن مقاومة يتم تخفيض بعد عدة محاولات ، فمن المستحسن أن يتم استخدام قطب كهربائي سريع إدراج ، والتي يمكن ببساطة إدراجها في القطب سيئة من خلال ثقب يوضع الإبرة من خلال لحقن هلام ، والمسجلة في المركز.
  2. خلال الدورة الأولى ، قد يجدون صعوبة في تخيل موضوع الحركات المطلوبة. في هذه الحالة ، قد يكون من المفيد أن يكون لهم جعل الحركات الحقيقية الأولى ، وإجراء تحليل البيانات حاليا حركة حقيقية. دورة تكوين حركة المؤشر كما حدث من قبل مع حركة البيانات الحقيقية ، ويكون موضوع استخدام الحركات الفعلية في محاولة لتحريك المؤشر. بعد تشغيل عدد قليل ، ومنها وقف تدريجيا مما يجعل الحركة الحقيقية ، حتى توقفت تماما. بعد عدة جلسات ، معظم المستخدمين التوقف عن استخدام صور السيارات تماما ، وبدلا من مجرد "خطوة" على المؤشر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

NIH NIBIB RO1 : 1R01EB009103 - 01
برنامج التدريب السريري Neuroengineering (1 DK070079 T90 - 01)
H كولتر والاس مؤسسة
NIH المؤسسية جائزة العلوم السريرية وبالحركة
المعاهد الوطنية للصحة / NCRR 1KL2RR025012 - 01
ولاية ويسكونسن خريجي مؤسسة أبحاث

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