BCI2000로 가상 커서 움직임을위한 EEG 기반 뇌 - 컴퓨터 인터페이스를 사용하여

Biology

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Summary

이 비디오에서는, 우리는 뇌파 뚜껑을 설정하는 시스템을 보정하고, 사용자가 상상 움직임을 사용하여 2 차원에 커서를 이동하는 훈련을 포함한 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 실험을 실행하는 데 필요한 단계를 보여줍니다.

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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).

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Abstract

같은 컴퓨터 또는 기타 장치를 제어하는​​ 데 사용할 수있는 신호로 뇌파 (EEG)로 신경 신호를 변환하여 뇌 - 컴퓨터 인터페이스 (BCI)는 기능. 선택된 주파수 방식의 EEG 신호의 진폭이 경우에는 컴퓨터 커서의 수평 및 수직 속도를 측정하는 장치 명령으로 번역하고 있습니다. 첫째, EEG 전극은 두뇌 활동을 기록하기 위해 모자를 사용하여 사용자의 두피에 적용됩니다. 다음 교정 절차는 EEG 전극과 자발적 BCI를 사용하도록 조절하기 위해 사용자가 배울 것이라는 기능을 발견하는 데 사용됩니다. 인간에서는, 뮤의 전력 (8-12 Hz에서)와 베타 (18-28 Hz에서) 주파수 대역은 실제 또는 상상을 운동하는 동안 진폭 감소. 이러한 변경 사항은 실시간으로 뇌파에 감지하고, BCI를 ([1], [2]) 제어하는​​ 데 사용할 수 있습니다. 따라서 선별 검사하는 동안, 사용자는 그 상상 움직임과 변화 독특한 뇌파 기능을 결정하기 위해 그들의 손과 발이 여러 상상 움직임을 요청합니다. 이 교정의 결과는 무와 베타 주파수 대역의 진폭 변화가 어느 수평 또는 수직 커서를 이동 있도록 구성되어 사용할 수있는 가장 좋은 채널을 표시합니다. 본 실험에서는, 범용 BCI 시스템 BCI2000는 사용자가 [3]에 신호 수집, 신호 처리 및 피드백을 제어하는​​ 데 사용됩니다.

Protocol

실험 절차

  1. EEG 전극을 연결
    1. 전극 뇌파 뚜껑을 사용하여 두피에 부착됩니다; 10-20 국제 시스템에 의해 지정된대로 이것이 전극은 두피에 적절한 위치에 있도록하는 과정을 간소화합니다.
    2. 뚜껑을 배치하려면 매우 특별한 펜이나 기타 유사한 방법을 사용하여 주제의 두피에 정점을 표시합니다. 이렇게하려면 주제에 nasion 및 inion 찾기로 시작합니다. 줄자를 사용하여이 두 위치 사이의 거리를 찾으십시오. 두 점, 또는 거리의 50 % 사이에 포인트 미드웨이 정점이다. 나중에 참조할 수 있도록 그 시점에 표시를합니다. 기타 10-20 포인트는 비슷한 방식으로 찾을 수 있습니다.
    3. 뚜껑에있는 CZ 전극을 찾아, 그리고 버텍스에 위치. CZ의 고정을 유지할 수있다는 것은, 머리에 뚜껑을 살짝. Fpz과 수준있는 Fz, CZ, 그리고 PZ 전극은 두피의 정중선에 있는지, 그리고 O1 - O2 전극은 오즈와 수평과 레벨 것을, 그리고 Fp1 - Fp2 있는지 확인합니다.
    4. 이제 참조 전극을 부착, 어떤 일반적으로 귓불에 클립.
    5. 전극은 두피와 낮은 임피던스 접촉을 할 수 있도록 다음, 전극은 전도성 젤로 가득합니다. 이렇게하려면 야기한 스쳐 바늘로 작은 주사기가 젤로 가득 차 있습니다. 또한, 그것은 젤이 연결이 잘되었는지 확인하기 위해 적용되는 동안 컴퓨터 화면에 EEG 흔적을 볼 도움이 될 수 있습니다.
    6. 전극에 바늘을 삽입하고, 부드럽게 어떤 죽은 피부를 제거하기 위해 바늘로 두피를 마모. 그것을 너무 많이 넣다하지 않도록주의하고, 젤의 소량으로 전극을 입력합니다. 귀 참조 전극 시작하고,지면을 포함하여, 전극 모두 반복합니다.
    7. 모든 5 kΩ 미만이어야 모든 채널에 대한 임피던스를 확인합니다. 이 방법은 사용중인 특정 앰프 시스템에 따라 달라질 수 있지만, 하드웨어를 통해 또는 BCI2000 통해서 임피던스를 확인 할 수 있어야합니다.
    8. 전극 5 kΩ 이상있다면, 다시 바늘을 삽입하고, 좀 더 두피를 마모. 임피던스에 감소가 없다 않는 한 그것은 더 젤을 주​​입 필요가 없을 것입니다.
  2. EEG 보정 기능 구하기
    1. 특히 세션 주제가 테스트되고 처음의 시작, 그것은 BCI을 제어하는​​ 데 사용할 수있는 뇌파 기능을 확인하는 데 유용합니다. 뮤과 베타 뇌파 리듬의 기본 속성은 모든 사람들에게 동일하지만, 이러한 기능은 사람으로부터 사람에게 다양하고, 따라서 이전에 다른 실험을 조정해야합니다 때문입니다.
    2. 교정 세션에서 주제가 모니터에 표시 영상 신호에 대한 응답으로 자신의 손이나 발을 포함한 다양한 움직임을 상상하도록 지시합니다. 시작하려면, 컴퓨터 시스템은 연구자의 디스플레이 제어 소프트웨어를 포함하므로, 듀얼 모니터 모드용으로 구성된, 두 번째 모니터는 실험 결과를 표시해야합니다.
    3. 귀하의 증폭기 소스 모듈 ARSignalProcessing 모듈 및 StimulusPresentation 모듈을 선택하여 BCI2000Launcher에서 BCI2000를 시작합니다. 이 예제에서, 우리는 g.USBamp 앰프를 제어하는​​ gUSBampSource 모듈을 사용하고 있습니다.
    4. 피사체에 대한 매개 변수 파일, 앰프 및 모터 심사 작업을 추가합니다. 이들은 그들이 단순히 로드할 수 있도록 미리 구성되어야하며, 실험 시작할 수 있습니다.
    5. 매개 변수 파일이 BCI2000Launcher에서 파일 목록에 추가되었습니다되면, 시작 버튼을 누릅니다. 모든 올바르게 작동하는 경우, BCI2000는 뇌파 데이터의 흔적이 나타납니다 시작하고, 주제의 모니터는 이전 실험의 시작 빈해야합니다.
    6. 세션 동안, 화면도 비워두거나 같은 명령 "라이트 항", "레프트 항", "양손"또는 표시 명령은 3S로 화면에 나타납니다 "모두 피트합니다."; 중 이번 주제는 지속적으로 움직임을 상상한다. 손 움직임이 열고 (예 : 테니스 공을 압박 등) 손을 폐쇄하고, 도보로 이동 (예, 두 발로 가속 페달에 눌러 같은) 앞뒤로 다리를 이동해야한다. 화면이 비어있는 경우, 몸은 완전히 긴장해야합니다.
    7. 실행하는 동안, 각 신체 부분은 20 회 반복합니다. 이상적으로, 5 실행 총이되어야한다는 것을 의미, 100 데이터 포인트가 있어야합니다. 피사체가 더 상상 작업을 수행할 수 있기 때문에 여러 개의 세션을 통해 적은 실행이 필요합니다.
  3. EEG 기능 분석
    1. 피사체가 자발적으로 BCI를 제어하기 위해 조절 할 수있는 뇌파 기능을 확인하기 위해 교정 데이터가 BCI2000에 포함되어있는 BCI2000 오프라인 분석 도구를 사용하여 오프라인 분석이다. 이 도구는 주파수 도메인 철에 수집된 데이터로 변환다른 운동하는 동안 변화하고, maximally 작업과 상관있는 주파수와 위치를 보여줍니다 atures. 이러한 기능은 다음 BCI 실험에서 사용할 수 있습니다.
    2. 기능이 사용해야하는 확인하려면 BCI2000 오프라인 분석 도구를 시작합니다. BCI2000 자세한 사항은 상담을해야하는 분석 도구를 사용하기위한 광범위한 튜토리얼이 포함되어 있습니다.
    3. EEG 기능이 강력하게 분석 도구에서 생산 플롯의 대형 R - 제곱 값을 찾는 각 운동과 상관되는 확인합니다. 가장 큰 R - 제곱 값 (예를 들어, 0.2보다 큰)의 채널 및 주파수 방식은 다음 특정 방향에 대한 제어 신호 구성 요소로 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 기능 오른쪽 조건에 대한 변화는 화면의 오른쪽으로 커서를 이동하도록 설정해야합니다.
    4. 뮤 / 베타 리듬이 연관된 운동과 진폭의 감소 것을 기억하는 것도 중요하다. 그럼, 오른쪽으로 커서를 이동하기 위하여 X - 방향으로 긍정적인,이 기능은 그것과 관련된 부정적인 무게가 있어야합니다.
    5. 선택된 채널과 주파수가 대뇌 피질 sensorimotor 리듬 알려진 속성과 일치해야합니다. , 상상 오른손의 움직임과 대응 중요한 변경 사항은 C3와 CP3 근처 contralateral (왼쪽) 모터 피질, 이상 볼 및 8-12 Hz에서 및 / 또는 18-28 Hz에서 근처를 중심으로해야합니다입니다. 마찬가지로, 왼손의 움직임은 C4와 CP4 전극 오른쪽 모터 피질을 통해 변화에 따라서해야하며, 발 움직임은 CZ 및 CPz 이상 나타납니다. 이러한 위치와 가치가 다른 경우, 그때는 다른 잡음 또는 임의 효과가 측정되었을 가능성이 큽니다이며, 제어 기능으로 구성하면 안됩니다.
    6. 각 조건 들어, 네 개의 큰 R - 제곱 값은 채널 번호와 빈 번호의 관점에서 선정되어야합니다. 주파수 너무, 2 Hz에서 용기에 10-12 Hz에서에서 높은 R​​ - 제곱있는 기능을 준비하는 것은 빈 6 나타납니다. 손으로 이러한 값으로, 시스템 커서 컨트롤 작업에 대해 구성할 수 있습니다.
  4. 온라인 피드백 세션 구성
    1. BCI2000 실행기에서 커서 움직임 세션을 구성합니다.
    2. 실험을 시작하기 전에, 몇 가지 매개 변수를 구성해야합니다. 첫째, 공간 필터는 일반적인 평균 기준으로 구성해야합니다. 이렇게하려면 설정 목록을 가져 BCI2000 운영자에 구성 언론 및 필터링 탭을 누르십시오.
    3. SpatialFiltering로 이동하고 말하는 있도록 SpatialFilterType 드롭 다운 상자를 변경 "일반적인 평균 기준 (자동차)."
    4. SpatialFilter 자동차 출력에서​​ 교정 세션에서 선택한 채널 이름이나 번호를 나열합니다. 예를 들어, "C3 CP3는 C4 CP4 CZ CPz"를 (따옴표없이) 입력하고, BCI2000 알 수있는 채널을 사용하는 (채널 레이블은 소스 탭에서 "채널 이름"필드 아래에 나열되어있는).
    5. 다음 분류 매트릭스는 선택한 기능을 사용하도록 구성되어야합니다. 필터링 탭 아래 분류 매개 변수 및 언론 편집 매트릭스로 이동합니다.
    6. 컬럼의 수는 4로 설정되어야하고, 행 번호를 선택한 기능의 총 수를 동일해야합니다. 각 매트릭스 행은 개별 기능에 해당합니다.
    7. 첫 번째 열에는 두 번째 열을 컨트롤에 대한 선택 방식을 포함 사용되는 채널 이름의 모든 예, C3, C4 등 포함해야합니다. 그것도 빈 번호 또는 특정 주파수를 입력할 수 있습니다, "6"또는 "11Hz"를 입력하면 BinWidth 매개 변수는 소스 탭 아래 "2 Hz에서"이라고 제공된 같은 bin을 선택합니다. "1"의 가치는 수평 운동에 해당하고, "2"는 수직 운동에 해당하고, 세 번째 열에 출력 채널입니다. 채널 C3, CP3, C4, 그리고 CP4는 수평 커서 제어 작업을 위해 1로 설정해야합니다, C3, CP3, C4, CP4은 CZ과 CPz는 수직 커서 제어 작업을 2로 설정해야합니다. 마지막으로, 네 번째 열에는 기능 무게를 보유하고, 반대 의도한 방향으로 일치해야 예, C3와 CP3는 커서 오른쪽으로 이동하기 -1 가중치해야하고, C4와 CP4 그것이 왼쪽으로 이동 1 가중치해야합니다. 커서를 아래로 이동, CZ 및 CPz가 1 가중치해야하고, 커서까지를 이동, C3와 C4는 -1 가중치해야합니다.
  5. 커서 이동 작업
    1. 시스템이 올바른 설정으로 구성됩니다 이제, 그것은 실험적 작업을 시작하는 시간이다.
    2. 4 명과 교전 중 하나가 재판 중에 나타나도록 시스템이 구성되어 있습니다. 주제의 목표는 운동의 원하는 방향으로 (예, 등, 아래로 이동 오른쪽 발을 이동 오른쪽)에 해당하는 상상 움직임을 사용하여 올바른 대상으로 커서를 이동하는 것입니다.
    3. 첫 번째 시련은 커서가 대상의 축에 제약이 있습니다. 그것은 대상의 상단이나 하단에있다면, 그것은이다가능 위나 아래로 커서를 이동하고, 그것에있는 경우 왼쪽 또는 화면의 오른쪽 커서에만 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동할 수 있습니다.
    4. 실행이 시작되면 문자 "T"는 2 초 화면에 나타납니다. 다음 목표 중 하나는 1 초 동안 나타납니다.
    5. 이 1 초 동안 후 커서가 화면의 중앙에 나타납니다. 주제 대상에 커서를 직접 적절한 상상 움직임을 사용합니다. 피사체가 목표물을 명중하는 경우, 그것은 색상을 변경합니다. 그렇지 않으면, 주제는 시간이 아웃 세션 전에 목표점 5 초 있으며 미스로 계산됩니다.
    6. 재판 후, 피사체가 다시 조정 위치 달리 제비, 깜빡, 휴식, 또는 수있는 동안 이초 간 재판 간격이 있습니다. 시련 동안, 운동은 운동의 유물이나 근육 유물을 줄이기 위해 절대적인 최소로 보관해야합니다. 또한 편안한 의자에 dimly 조명 방에 앉아 유용합니다.
    7. 20 시련 후에 BCI2000는 정지 상태로 들어갑니다. 이 기간 동안, 그것은 피사체가 커서를 이동할 수없는 경우 설정 중 일부를 다시 조정해야 할 수도 있습니다.
    8. 4 실행 후 피사체가 여전히 volitionally 커서를 이동할 수 없습니다있다면, 그것은 BCI2000 오프라인 분석 도구에서 다시 분석하고 수집된 데이터로 필요할 수 있습니다. 새로운 기능 플롯을 바탕으로 새로운 채널과 주파수를 선택합니다. 피사체가 작업에서 실력이 될 수 전에 몇 가지 실행하거나 여러 개의 세션을 가능성이 걸릴 수 있습니다.

6 부 : 대표 결과 :

  1. 그림 1과 2는 채널과 주파수 용기가 커서 제어를 위해 선택되어야하는 의미의 교정 절차에 대한 R - 제곱 값과 두피의 지형을 보여줍니다.
  2. 훈련 주제는 신속하게 1 개 또는 2 초 내에 표시 대상으로 커서를 이동시킬 수 있어야합니다.

그림 1

그림 1) 및 B) 오른손으로, 현실과 상상의 움직임 중 10-12 Hz에서 밴드의 스펙트럼 변화 지형. C) 전원 나머지 동안 C3에 대한 스펙트럼 (점선)과 운동 (고체). D) 운동 중에 전원의 R - 제곱은 나머지에 비해.

그림 2

그림 2 R - 제곱 상상 오른쪽 움직임을 위해 모든 채널에 걸쳐. x 축은 0에서 70 Hz에서 2 Hz에서 방식의 주파수이다. y 축은 채널 번호입니다. 최고의 R - 제곱 값은 모터 피질의 contralateral 손 영역을 커버 채널 9, 10, 17, 18, 19,에서 찾을 수 있습니다.

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Discussion

  1. 이것은 전극 임피던스가 낮은 것을 중요하지만 너무 겔은 임피던스를 낮게하는 데 사용되지 않았습니다. 하나의 나쁜 채널은 일반적인 평균 기준을 통해 모든 다른 사람에 영향을 줄 수 있습니다. 임피던스가 여러 시도 후 줄일 수 없다면, 그것은 단순히 바늘이 젤 주사를 위해서 배치하고, 자리에 녹화되는 구멍을 통해 나쁜 전극에 삽입 될 수있는, 빠른 삽입 전극을 사용하는 것이 좋습니다.
  2. 첫 번째 세션 동안, 주제는 어려움이 필요한 움직임을 상상 할 수 있습니다. 이 경우, 그것은 그들이 먼저 실제 움직임을하고, 오프라인 분석에게 실제 움직임 데이터를 수행하도록 도움이 될 수 있습니다. 이전처럼 실제 이동 데이터로 커서를 이동 세션을 구성하고, 제목에 커서를 이동하려고 시도의 실제 움직임을 사용을 할 수 있습니다. 그들이 완전히 멈출 때까지 몇 실행 후, 그들이 점차 실제 운동을하는 중지했습니다. 여러 세션 후, 대부분의 사용자는 커서를 "이동"대신 모두 모터 이미지 사용을 중지합니다.

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Acknowledgements

NIH NIBIB RO1 : 1R01EB009103 - 01
임상 Neuroengineering 교육 프로그램 (1 T90 DK070079 - 01)
월리스 H 쿨터 재단
NIH 기관 임상 및 Translational 과학 수상
NIH / NCRR 1KL2RR025012 - 01
위스콘신 동창회 연구 재단

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)

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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

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