שימוש EEG מבוסס מוחי המחשב ממשק עבור תנועת הסמן וירטואלי עם 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

בסרטון הזה, אנחנו מדגימים את הצעדים הנדרשים כדי להפעיל ניסוי המוח למחשב ממשק, כולל הגדרת כובע EEG, כיול המערכת, הדרכה למשתמש להזיז סמן בשני ממדים באמצעות תנועות דמיינתי.

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

ממשק מוח מחשב (BCI) פונקציות על ידי מתרגם את האות העצבי, כגון אלקטרואנצפלוגרם (EEG), לאות כי ניתן להשתמש כדי לשלוט מחשב או מכשיר אחר. משרעת של אותות EEG בסלים תדר שנבחר נמדדים ותורגם פקודה למכשיר, במקרה זה המהירות האופקי והאנכי של הסמן במחשב. ראשית, האלקטרודות EEG מוחלים על הקרקפת של המשתמש באמצעות כובע להקליט פעילות המוח. לאחר מכן, הליך כיול משמש כדי למצוא את אלקטרודות ה-EEG ותכונות שהמשתמש ילמדו בהתנדבות לווסת להשתמש BCI. בבני אדם, הכוח mu (8-12 הרץ) ו - בטא (18-28 הרץ) התדרים ירידה משרעת במהלך תנועה אמיתית או מדומה. שינויים אלו ניתן לזהות את ה-EEG בזמן אמת, ולהשתמש בהם כדי לשלוט BCI ([1], [2]). לכן, במהלך בדיקה ההקרנה, המשתמש מתבקש לבצע מספר תנועות דמיין שונים עם ידיהם ורגליהם כדי לקבוע את תכונות ה-EEG ייחודי לשנות עם תנועות דמיינתי. תוצאות כיול זה יציג את הערוצים הטובה ביותר לשימוש, אשר מוגדרים כך ששינויים משרעת ב mu ו התדרים בטא להזיז את הסמן או אופקית או אנכית. בניסוי זה, המטרה הכללית BCI מערכת BCI2000 משמש לשליטה רכישת אות, עיבוד אותות, ומשוב למשתמש [3].

Protocol

נוהל ניסיוני

  1. חיבור אלקטרודות EEG
    1. אלקטרודות יצורף הקרקפת באמצעות כובע EEG, זה מפשט את תהליך להבטיח כי האלקטרודות נמצאים במיקום הנכון על הקרקפת, כפי שצוין על ידי מערכת 10-20 הבינלאומית.
    2. כדי למקם את הכובע, סמן את הקודקוד על הקרקפת של נושא באמצעות עט או כל שיטה דומה אחר. כדי לעשות זאת, להתחיל באיתור nasion ו inion בנושא. באמצעות סרט מדידה, למצוא את המרחק בין שני המקומות. נקודה באמצע בין שתי נקודות, או 50% של המרחק, הוא הקודקוד. הפוך את סימן בנקודה זו לעיון מאוחר יותר. אחרים 10-20 נקודות יכול להיות ממוקם בצורה דומה.
    3. מצא את האלקטרודה CZ על הכובע, ואת המיקום אותו על הקודקוד. שמירה קבועה CZ, להחליק את הכובע על ראשו. ודא אלקטרודות פ.צ., CZ, ו PZ נמצאים על קו האמצע של הקרקפת, וכי O1-O2 אלקטרודות הם אופקיים עם רמת עוז, וכי-FP1 Fp2 הן ברמה עם Fpz.
    4. עכשיו לחבר את אלקטרודה השוואתית, אשר בדרך כלל קליפים על תנוך האוזן.
    5. בשלב הבא, האלקטרודות מלאים ג'ל מוליך כך האלקטרודות ליצור קשר עם עכבה נמוכה הקרקפת. כדי לעשות זאת, מזרק קטן עם מחט קהה שקצהו מלא הג'ל. כמו כן, זה עשוי להיות מועיל כדי לראות את עקבות EEG על מסך המחשב בעוד ג'ל מוחל כדי לקבוע אם הקשר הוא טוב.
    6. הכנס את המחט אלקטרודה, בעדינות לשפשף את הקרקפת עם המחט כדי להסיר עור מתים. מלאו את האלקטרודה עם כמות קטנה של ג'ל, נזהרים שלא overfill זה. התחל עם אלקטרודת האוזן, וחזור על כל האלקטרודות, כולל הקרקע.
    7. בדוק את עכבות בכל הערוצים, אשר צריכים להיות פחות מ 5 kΩ. שיטה זו ישתנו בהתאם למערכת מגבר מסוים בשימוש, אבל זה צריך להיות אפשרי לבדוק את עכבה או באמצעות חומרה או באמצעות BCI2000.
    8. אם אלקטרודה הוא מעל 5 kΩ, הכנס את המחט שוב, לשפשף את הקרקפת עוד קצת. זה לא אמור להיות צורך להזריק ג'ל יותר, אלא אם כן אין ירידה עכבה.
  2. קבלת תכונות כיול EEG
    1. בתחילת הפגישה, במיוחד בפעם הראשונה נושא נבחנת, כדאי לקבוע את תכונות ה-EEG אשר יכול לשמש לשליטה BCI. הסיבה לכך היא כי את המאפיינים הבסיסיים של מו ומקצבים EEG בטא זהים עבור כל האנשים, תכונות אלו משתנות מאדם לאדם, ולכן צריך להיות מכויל לפני כל הניסויים האחרים.
    2. בפגישה כיול, הנושא הוא הורה לדמיין תנועות שונות מעורבים הידיים או הרגליים בתגובה רמזים חזותיים שהוצגו על המסך. כדי להתחיל, מערכת המחשב צריך להיות מוגדר עבור מצב צג כפול, כך התצוגה של החוקר מכיל את תוכנת שליטה, את הצג השני מציג את פלט הניסוי.
    3. התחל BCI2000 מ BCI2000Launcher על ידי בחירת מקור המגבר שלך מודול, מודול ARSignalProcessing, מודול StimulusPresentation. בדוגמה זו, אנו באמצעות מודול gUSBampSource, אשר שולטת על מגבר g.USBamp.
    4. הוסף את הקבצים פרמטר עבור הנושא שלך, את המגבר, ואת משימות ההקרנה המנוע. אלה צריכים להיות מוגדר מראש, כך שהם יכולים פשוט להיות טעון, והניסוי יכול להתחיל.
    5. ברגע הקבצים פרמטר נוספו לרשימת הקבצים ב BCI2000Launcher, לחצו על לחצן הפעלה. אם הכל עובד כראוי, BCI2000 צריך להתחיל, שמץ של נתוני ה-EEG אמור להופיע, ולנטר את הנושא צריך להיות ריק לפני תחילת הניסוי.
    6. במהלך הפגישה, המסך יהיה להיות או ריקה, או להציג הוראה, כגון "יד ימין", "יד שמאל", "שתי ידיים", או הוראה תופיע על המסך עבור -3 "שתי הרגליים."; במהלך הפעם, הנושא צריך ברציפות לדמיין את התנועה. תנועות ידיים צריך לפתוח ולסגור את הידיים (למשל, כמו לסחוט כדור טניס), ותנועת כף הרגל צריכה להיות להזיז את הרגליים קדימה ואחורה (למשל, כמו לחיצה על דוושת גז עם שתי הרגליים). כאשר המסך ריק, הגוף צריך להיות רגוע לחלוטין.
    7. במהלך ריצה, כל חלק בגוף הוא חזר 20 פעמים. באופן אידיאלי, צריך להיות 100 נקודות נתונים, כלומר, צריך להיות סך של 5 רץ. עם מספר הפעלות, פועל פחות נחוצים, שכן הנושא הוא מסוגל לבצע את המשימה לדמיין טוב יותר.
  3. ניתוח מאפייני ה-EEG
    1. על מנת לקבוע אילו מאפיינים EEG הנושא הוא מסוגל לווסת בהתנדבות על מנת לשלוט BCI, הנתונים כיול מנותח מחובר באמצעות כלי ניתוח BCI2000 מנותק, הכלול BCI2000. כלי זה ממיר את הנתונים שנאספו לתוך תחום תדר פהatures, אשר מציג את תדרים ומיקומים ששינה במהלך תנועות שונות, מתואמים עם מרבית המשימות. תכונות אלה לאחר מכן ניתן להשתמש בניסוי BCI.
    2. כדי לקבוע אילו תכונות יש להשתמש, להפעיל את כלי BCI2000 ניתוח לא מקוון. BCI2000 כוללת הדרכה מקיפה עבור שימוש בכלי ניתוח, אשר יש להתייעץ לקבלת מידע נוסף.
    3. לקבוע אילו מאפיינים EEG מתואמים במידה רבה על ידי מציאת R בריבוע גדול ערכים בחלקות המופק כלי ניתוח עם כל תנועה. ערוצי ותיבות תדירות עם R בריבוע הערכים הגדולים (למשל, יותר מ 0.2) אז יכול להיות נבחר כמרכיב לשלוט האות בכיוון מסוים. לדוגמה, תכונות שינוי בתנאי יד ימין יש להגדיר כדי להזיז את הסמן לצד ימין של המסך.
    4. חשוב גם לזכור כי מו / מקצבים בטא ירידה משרעת עם התנועה משויך. לכן, על מנת להזיז את הסמן ימינה, החיובי-x בכיוון, תכונה זו צריכה להיות משקל שלילי המשויך אליו.
    5. ערוצי תדרים שנבחר צריך להיות בקנה אחד עם המאפיינים הידועים של קליפת המוח הסנסורית מקצבים. כלומר, שינויים משמעותיים להתכתב עם התנועה דמיין יד ימין יש לראות על הנגדי (שמאל) הקורטקס המוטורי, ליד C3 ו-CP3 ו מרוכז ליד 8-12 הרץ ו / או 18-28 הרץ. כמו כן, תנועות יד שמאל צריכה לגרום לשינויים על הזכות המוטורי על C4 ו CP4 אלקטרודות, תנועות כף הרגל אמורה להופיע על CZ ו CPz. אם אלה מקומות וערכים שונים, אז סביר להניח כי קצת רעש אחרים או אפקט אקראי נמדד, ולא צריך להיות מוגדר כתכונה שליטה.
    6. עבור כל תנאי, ארבע הגדולות R בריבוע ערכים יש לבחור במונחים של מספר הערוץ ומספר סל. תדרים מסודרים 2 פחי הרץ, ולכן תכונה גבוהה עם R בריבוע של 10-12 הרץ יופיע בן 6. עם ערכים אלו ביד, המערכת יכולה להיות מוגדרת עבור המשימה לשלוט הסמן.
  4. משוב מקוון מושב תצורת
    1. קבע את הפגישה תנועת הסמן Launcher BCI2000.
    2. לפני תחילת הניסוי, מספר פרמטרים צריך להיות מוגדר. ראשית, מסנן המרחבי צריך להיות מוגדר עם התייחסות הישר בממוצע. לשם כך, לחץ על מפעיל Config BCI2000 להביא את רשימת הגדרות, ולחץ על הכרטיסייה סינון.
    3. עבור SpatialFiltering, ולשנות את תיבת SpatialFilterType הנפתחת כך אומר "המשותף ממוצע הפניה (CAR)".
    4. תחת Output CAR SpatialFilter, רשימת שמות או מספרים נבחרים ערוץ בפגישה כיול. לדוגמה, תוכל להקליד "CP3 C3 C4 CP4 CZ CPz" (ללא המירכאות) ולאחר BCI2000 תדע להשתמש בו ערוצי (ובלבד תוויות ערוץ מופיעים תחת השדה "שמות ערוץ" בלשונית מקור).
    5. בשלב הבא, המטריצה ​​סיווג חייבת להיות מוגדרת להשתמש בתכונות שנבחר. בכרטיסייה סינון, עבור פרמטר מסווג ומטריקס העיתונות עריכה.
    6. מספר העמודים צריך להיות מוגדר 4, את מספר השורות צריך להיות שווה למספר הכולל של התכונות שנבחרו. כל שורה במטריצה ​​מתאים תכונה בודדת.
    7. העמודה הראשונה צריכה להכיל את כל שמות ערוצים בשימוש, למשל, C3, C4 וכו 'הטור השני מכיל את פחי שנבחרו שליטה. אפשר להזין מספר בן או תדר מסוים; להיכנס "6" או "11Hz" יבחר את אותו סל, ובלבד פרמטר BinWidth הוא "2 הרץ" תחת הכרטיסייה מקור. הטור השלישי הוא ערוץ פלט; ערך של "1" מתאים תנועה אופקית, ו "2" מתאים תנועה אנכית. C3 הערוצים, CP3, C4, ו CP4 צריך להיות מוגדר 1 עבור משימה הסמן אופקי שליטה; C3, CP3, C4, CP4, CZ ו CPz צריך להיות מוגדר 2 עבור משימה הסמן האנכי שליטה. לבסוף, העמודה הרביעית מחזיקה את משקל התכונה, ויש מתאימות בכיוון הנגדי המיועד, למשל, C3 ו-CP3 צריך להיות משוקלל -1 כדי להזיז את הסמן ימינה, ו C4 ו CP4 צריך להיות משוקלל 1 להזיז אותו שמאל. כדי להזיז את הסמן מטה, CZ ו CPz צריך להיות משוקלל 1, כדי להזיז את הסמן מעלה, C3 ו-C4 צריך להיות משוקלל -1.
  5. תנועת הסמן משימה
    1. כעת, המערכת מוגדרת עם ההגדרות הנכונות, זה הזמן להתחיל את המשימה ניסיוני.
    2. תצורת המערכת מוגדרת כך אחד מארבעת היעדים יופיעו במהלך משפט. המטרה של הנושא היא כדי להזיז את הסמן אל היעד הנכון באמצעות תנועות דמיין המתאים לכיוון הרצוי של התנועה (למשל, הימני כדי לנוע ימינה, רגל לנוע למטה, וכו ').
    3. עבור הניסויים הראשונה, הסמן מוגבלת לציר של היעד. כלומר, אם המטרה היא בחלק העליון או התחתון, זהרק ניתן להזיז את הסמן למעלה או למטה, ואם זה על ימין או שמאל של המסך, הסמן יכול להיות רק עבר שמאלה או ימינה.
    4. כאשר מתחיל לרוץ, את המכתב "T" מופיעה על המסך למשך 2 שניות. בשלב הבא, אחד היעדים מופיע לשנייה 1.
    5. לאחר תקופה 1 השני זה, הסמן יופיע באמצע המסך. נושא משתמשת בתנועות דמיין המתאים לכוון את הסמן אל היעד. אם הנושא פוגע במטרה, זה משנה את צבעו. אחרת, לנושא יש 5 שניות להגיע למטרה לפני הפגישה פעמים החוצה נחשבת להחמיץ.
    6. לאחר המשפט, יש 2 ההפסקה השנייה בין משפט שבמהלכו הנושא יכול להירגע, למצמץ, לבלוע, או בכל דרך אחרת להתאים מחדש עמדות. במהלך הניסויים, התנועה צריכה להיות למינימום מוחלט כדי להפחית את התנועה חפצים או חפצים השריר. הוא גם מועיל לשבת בחדר האפלולי על כיסא נוח.
    7. לאחר 20 ניסויים, BCI2000 נכנס מדינה על תנאי. במהלך תקופה זו, ייתכן שיהיה צורך להתאים מחדש כמה הגדרות אם הנושא אינו מסוגל להזיז את הסמן.
    8. אם אחרי 4 ריצות הנושא הוא עדיין לא מצליח מרצונכם, מתוך להזיז את הסמן, זה עשוי להיות נחוץ כדי לנתח מחדש את הנתונים שנאספו בכלי BCI2000 ניתוח לא מקוון. בחר את הערוצים החדשים תדרים מבוסס על מגרשים תכונה חדשה. זה עלול לקחת מספר רץ או אולי לפני מספר מפגשים בנושא יכול להיות בקיאים במשימה.

חלק 6: תוצאות נציג:

  1. איורים 1 ו -2 להראות את R בריבוע ערכים הטופוגרפיה הקרקפת עבור ההליך כיול, המציין אילו ערוצים פחי תדירות יש לבחור שליטה הסמן.
  2. נושא הכשרה אמור להיות מסוגל במהירות להזיז את הסמן אל היעד המוצג בתוך 1 או 2 שניות.

איור 1

איור 1) ו-B) טופוגרפיה של שינויים ספקטרלי בלהקה 10-12 הרץ במהלך תנועות אמיתיים ומדומים עם יד ימין. ג) קשת כוח על C3 במנוחה (מקווקו) ותנועה (מוצק). ד) R בריבוע של הכוח במהלך התנועה בהשוואה לשאר.

איור 2

איור 2 R בריבוע על פני כל ערוצי התנועה הימנית דמיינתי. ציר x הוא תדר ב 2 פחי הרץ מ -0 עד 70 הרץ. ציר y הוא מספר הערוץ. הגבוה R בריבוע ערכים נמצאים על הערוצים 9, 10, 17, 18, 19, אשר מכסה את אזור יד הנגדי של הקורטקס המוטורי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

  1. זה חיוני כי עכבות אלקטרודה נמוכים, אבל זה יותר מדי ג'ל לא היה בשימוש להוריד את העכבה. ערוץ רעה אחת יכולה להשפיע על כל האחרים באמצעות התייחסות הישר הממוצע. אם העכבה לא יכול להיות מופחת אחרי כמה נסיונות, מומלץ כי האלקטרודה מהיר להכניס לשמש, אשר יכול פשוט להיות מוכנס לתוך האלקטרודה רע דרך החור כי המחט ממוקם דרך עבור הזרקת ג'ל, הדביקו במקום.
  2. במהלך הפגישה הראשונה, הנושא עלול להתקשות לדמיין את התנועות הדרושות. במקרה זה, זה עשוי לעזור להם לעשות את התנועות האמיתי הראשון, ולבצע את הניתוח מחובר נתוני תנועה אמיתית. קבע את הפגישה תנועת הסמן כמו קודם עם נתוני תנועה אמיתית, יש נושא השימוש תנועות בפועל כדי לנסות להזיז את הסמן. לאחר מספר ריצות, יש להם בהדרגה להפסיק לעשות את התנועה האמיתית, עד שהם הפסיקו לחלוטין. לאחר מספר מפגשים, רוב המשתמשים להפסיק להשתמש בדימויים המנוע לגמרי, ובמקום זה פשוט "להעביר" את הסמן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Neuroengineering תוכנית הכשרה קלינית (1 DK070079 T90-01)
וואלאס H קולטר קרן
NIH מוסדיים המדע קלינית Translational פרס
NIH / NCRR 1KL2RR025012-01
בוגרי ויסקונסין Research Foundation

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