BCI2000 Sanal İmleç Hareketi için bir EEG Tabanlı Beyin-Bilgisayar Arayüzü

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:

 

Summary

Bu video, EEG kap kurma, sistem kalibre ve kullanıcının hayal hareketleri kullanarak iki boyutlu bir imleci hareket ettirmek için eğitim de dahil olmak üzere bir beyin-bilgisayar arayüzü deney, çalıştırmak için gerekli olan adımları ortaya koymaktadır.

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

Bu tür bir bilgisayar veya başka bir aygıt kontrol etmek için kullanılan bir sinyal içine elektroensefalografi (EEG), bir sinir sinyali çevirerek bir beyin-bilgisayar arayüzü (BCI) fonksiyonları. Bu durumda, seçilen frekans kutularına EEG sinyallerinin genlik bir bilgisayar imlecini yatay ve düşey hız ölçülür ve bir cihaz komutu çevrilir. İlk olarak, EEG elektrotları beyin aktivitesini kaydetmek için bir kap kullanarak kullanıcı s saç derisine uygulanır. Sonra, bir kalibrasyon prosedürü EEG elektrotları ve gönüllü BCI modüle kullanıcı öğreneceksiniz özellikleri bulmak için kullanılır. İnsanlarda mu güç (8-12 Hz) ve beta (18-28 Hz) frekans bantlarında, gerçek ya da hayali bir hareketi sırasında genlik azalır. Bu değişiklikler EEG gerçek zamanlı olarak tespit ve BCI ([1] [2]) kontrol etmek için kullanılır. Bu nedenle, bir tarama testi sırasında, kullanıcının hayal hareketleri ile değiştirmek benzersiz EEG özellikleri belirlemek için elleri ve ayakları ile birkaç farklı hayal hareketleri yapmak için istenir. Bu kalibrasyon sonuçları mu ve beta frekans bantlarında genlik değişiklikleri yatay ya da dikey imleci hareket ettirmek için yapılandırılmış kullanmak için en iyi kanalları, gösterecektir. Bu deneyde, genel amaçlı BCI sisteminin BCI2000 kullanıcı [3] sinyal satın alma, sinyal işleme ve geri besleme kontrol etmek için kullanılır.

Protocol

Deneysel İşlemler

  1. EEG Elektrotlar bağlanması
    1. Elektrotlar EEG kap kullanarak saç derisine bağlı olacaktır; 10-20 uluslararası sistem tarafından belirtildiği gibi, bu elektrotlar kafa derisi üzerinde uygun bir konumda olmasını sağlamak işlemini basitleştirir.
    2. Kapağı yerleştirmek için bir keçeli kalem veya başka bir benzer bir yöntem kullanarak konu kafa derisi üzerinde tepe işaretleyin. Bunu yapmak için, konuyla ilgili nasion ve inion bularak başlar. Bir mezura kullanarak, bu iki konum arasındaki mesafeyi bulmak. Iki puan veya% 50, mesafe arasındaki puan yarıda tepe. Daha sonra başvurmak için bu noktada bir işareti yapmak. Diğer 10-20 puan benzer şekilde bulunabilir.
    3. Taşlı elektrot kapağını bulun ve tepe üzerinde konumlandırmak. Taşlı sabit tutulması, baş üstüne kap kayma. FPZ ile aynı seviyede olan Fz, Cz ve Pz elektrotlar kafa derisinin orta hat olduğunu ve O1-O2 elektrot Oz ile yatay ve düz olduğunu, ve Fp1 FP2 olduğunu emin olun.
    4. Şimdi referans elektrot eklemek, genellikle kulak memesi üzerine klipler.
    5. Sonra, böylece elektrotlar, kafa derisi ile düşük empedanslı temas elektrotlar iletken bir jel ile doldurulur. Bunu yapmak için, künt uçlu bir iğne ile küçük bir şırınga jel ile doldurulur. Ayrıca, jel bağlantının iyi olup olmadığını belirlemek için uygulanan edilirken bilgisayar ekranında EEG izlerini görmek yararlı olabilir.
    6. Iğne bir elektrot içine yerleştirin ve yavaşça herhangi bir ölü deriyi temizlemek için iğne ile saçlı deri aşındırın. Aşırı doldurmayın için dikkatli olmak, küçük bir miktar jel ile elektrot doldurun. Kulak referans elektrot ile başlayın ve zemin dahil olmak üzere, tüm elektrotlar için tekrarlayın.
    7. Tüm kanallar için 5 kÊ daha az olmalıdır empedanslar. Bu yöntem özellikle amplifikatör sistemi kullanılan bağlı olarak değişir, ancak donanım üzerinden veya BCI2000 aracılığıyla ya empedans kontrol etmek mümkün olmalıdır.
    8. Bir elektrot 5 kÊ üzerinde ise, iğne tekrar takın, ve biraz daha fazla kafa derisi aşındırın. Empedans herhangi bir azalma olmadığı sürece, daha fazla jel enjekte etmek için gerekli olmamalıdır.
  2. EEG Kalibrasyon Özellikleri Edinme
    1. Bir oturum, özellikle ilk kez bir konu test ediliyor başında, bir BCI kontrol etmek için kullanılabilir EEG özelliklerini belirlemek için yararlıdır. Mu ve Beta EEG ritimleri tüm insanlar için temel özellikleri aynı olmasına rağmen, bu özellikler kişiden kişiye değişebilir ve bu nedenle başka bir deneylere önce kalibre edilmesi gerekir, çünkü bu.
    2. Kalibrasyon oturumda, konu monitörde sunulan görsel uyaranlara yanıt olarak elleri veya ayakları içeren farklı hareketleri hayal etmesi öğretilir. Başlamak için, bilgisayar sistemi böylece araştırmacı ekranı kontrol yazılımı içeren, çift monitör modu için yapılandırılmış ve ikinci bir monitör deneysel çıkış görüntüler olmalıdır.
    3. Amplifikatör kaynağı modülü, ARSignalProcessing modülü ve StimulusPresentation modül seçerek BCI2000Launcher BCI2000 başlayın. Bu örnekte, biz g.USBamp amplifikatör kontrol gUSBampSource modülü kullanıyoruz.
    4. Konu için parametre dosyaları, amplifikatör, ve motorlu tarama görevleri ekleyin. Bunlar, onlar sadece yüklü böylece, önceden yapılandırılmış olması gerekir, ve deney başlayabilirsiniz.
    5. Parametre dosyaları BCI2000Launcher dosya listesine eklendikten sonra, Başlat düğmesine basın. Eğer her şeyi doğru bir şekilde çalıştı, BCI2000 EEG verileri bir iz görünmelidir başlamalı ve konu monitör, deney başlamadan önce boş olmalıdır.
    6. Oturum sırasında, ekranda ya boş, ya da bir talimat gibi, "Sağ El," Sol, "Her iki Eller" ya da görüntüler talimat 3 saniye boyunca ekranda görünecek "Her iki Ayaklar"; sırasında Bu süre, bu konuda sürekli hareket hayal gerekir. Açılış ve kapanış (örneğin, bir tenis topu sıkma gibi) elinde el hareketleri ve ayak hareketi (örneğin, her iki ayak gaz pedalına basmak gibi) ayaklar ileri ve geri hareket edilmelidir olmalıdır. Ekran boş zaman, vücudun tamamen rahat olmalıdır.
    7. Bir çalışma sırasında, her vücut parçası 20 kez tekrarlanır. İdeal olarak, toplam 5 ishal olması gerektiği anlamına gelen, 100 veri noktaları var olmalıdır. Konu daha iyi hayal görevi gerçekleştirmek için birden çok oturum, daha az çalışır, gerekli olan.
  3. EEG Özellikleri Analizi
    1. Konu BCI kontrol etmek için gönüllü modüle mümkün olduğu EEG özelliklerini belirlemek amacıyla, kalibrasyon verileri kullanarak çevrimdışı BCI2000 ile birlikte BCI2000 Çevrimdışı Analiz aracı, analiz edilir. Bu araç, toplanan verilerin frekans alanı fe içine dönüştürüratures farklı hareketleri sırasında değişti ve maksimum görevleri ile orantılı frekansları ve yerleri gösterir. Bu özellikler, daha sonra BCI deneyde kullanılabilir.
    2. Hangi özelliklerin kullanılması gerektiğini belirlemek için, BCI2000 Çevrimdışı Analizi aracını başlatmak. BCI2000 Daha fazla bilgi için başvurulması gerektiğini analiz aracı kullanmak için kapsamlı bir rehber içerir.
    3. EEG özellikleri güçlü bir analiz aracı üretilen araziler büyük bir r-kare değerleri bularak her hareketi ile ilişkilidir belirleyin. En büyük r-kare değerleri (örneğin, 0.2 'den fazla) ile kanal ve frekans bidonları sonra, belirli bir yönde bir kontrol sinyal bileşeni olarak seçilebilir. Örneğin, ekranın sağ tarafına imleci hareket ettirmek için Sağ durum için bu değişikliği kurmak olmalıdır.
    4. Mu / Beta ritimleri, ilişkili bir hareketi ile genlik azalma olduğunu da hatırlamak önemlidir . Yani, imleci sağa doğru hareket ettirmek için, pozitif x-yönü, bu özelliği ile ilgili olumsuz bir ağırlığı olmalıdır.
    5. Seçilen kanal ve frekanslar kortikal sensorimotor ritimleri bilinen özellikleri ile tutarlı olmalıdır. Hayali sağ el hareketi ile karşılık anlamlı bir değişiklik C3 ve CP3 yakın kontralateral (sol) motor korteksin, üzerinde görülen ve 8-12 Hz / ya da 18-28 Hz yakın merkezli olmalı Yani Benzer şekilde, sol el hareketleri C4 ve CP4 elektrotlar sağ motor korteks üzerinde değişiklikler sonuçlanmalıdır ve ayak hareketleri, Taşlı ve CPZ üzerinde görünmelidir. Bu yerleri ve değerleri farklı ise, o zaman diğer bazı gürültü veya rasgele etkisi ölçüldü muhtemeldir ve kontrol özelliği olarak yapılandırılmış olmamalıdır.
    6. Her durum için, dört büyük r-kare değerleri kanal sayısı ve bin sayısı açısından tercih edilmelidir. Frekansları, 2 Hz kutularına 10-12 Hz yüksek bir r-kare ile bir özelliği düzenlenmiştir bin 6 görünecektir. Elinde bu değerler sistemi, imleç kontrolü görevi için konfigüre edilebilir.
  4. Online Görüşleriniz Oturum Yapılandırma
    1. BCI2000 Launcher imleç hareketi oturumu yapılandırın.
    2. Deney başlamadan önce, çeşitli parametrelere yapılandırılmış olması gerekir. İlk olarak, mekansal filtre ortak bir ortalama referans yapılandırılmalıdır. Bunu yapmak için, ayarlar listesini ekrana getirmek için BCI2000 operatörü Yapılandırma basın ve Filtreleme sekmeye basın.
    3. SpatialFiltering gidin ve diyor böylece SpatialFilterType açılan kutuda "Common-Ortalama Referans (SYR)."
    4. SpatialFilter ARAÇ Çıkış altında, kalibrasyon oturumda seçilen kanal isimleri veya numaraları liste. Örneğin, "C3, CP3 C4 CP4 Taşlı CPZ" (tırnak işaretleri olmadan) yazın ve BCI2000 bilecek hangi kanallar (kanal etiketleri Kaynak sekmesinde "Kanal Adları" alanına altında listelenen).
    5. Sonra, sınıflandırma matrisi seçilen özellikleri kullanmak için yapılandırılmış olması gerekir. Filtreleme sekmesi altında, Sınıflandırıcı parametre ve Düzen'e basın Matrix gidin.
    6. Sütun sayısı 4 olarak ayarlanmış olmalıdır ve satır sayısını seçilen özellikler toplam sayısına eşit olmalıdır. Her matris satır ayrı bir özelliği karşılık gelir.
    7. İlk sütun, ikinci sütun kontrolü için seçilen kutular içeren kullanılan kanal isimleri tüm, örneğin, C3, C4, vb içermelidir. Ya bir çöp kutusu numarasını ya da belirli bir frekans girmek mümkündür; "6" ya da "11Hz" giren BinWidth parametresi Kaynak sekmesi altında "2" Hz olduğunu, aynı bin seçecektir. , "1" bir değer yatay hareketine karşılık, ve "2" dikey hareketine karşılık, üçüncü sütunda çıkış kanalı. Kanallar C3, CP3, C4 ve CP4 yatay bir imleç kontrolü görev için 1 olarak ayarlanır; C3, CP3, C4, CP4, Cz ve CPZ dikey imleci kontrol görevi için 2 ayarlanmış olmalıdır. Son olarak, dördüncü sütun özelliği ağırlık tutan ve amaçlanan ters yönde uygun olmalıdır, örneğin, C3 ve CP3 imleci sağa taşımak için -1 ağırlıklı olmalı ve C4 ve CP4 1 sola hareket ağırlıklı olmalıdır . İmleci aşağı taşımak için, Taşlı ve CPZ 1 ağırlıklı olmalı ve imleci yukarı taşımak için, C3 ve C4 -1 ağırlıklı olmalıdır.
  5. İmleç Hareketi Görev
    1. Şimdi sistemi doğru ayarları ile yapılandırılmış, deneysel görevin başlama zamanı.
    2. Bu sistem, dört hedeflerin bir deneme sırasında görünecektir böylece yapılandırılmıştır. Söz konusu hedefi, istenilen yönde hareket (örneğin, vb aşağı hareket ettirmek için sağ, ayakları hareket ettirmek için sağ el) karşılık gelen hayal hareketleri kullanarak doğru hedef imleci hareket ettirmek için.
    3. Ilk denemeler için, imleci hedef eksenine sınırlıdır. Bu hedef, üst veya alt kısmında ise,mümkün imleci yukarı veya aşağı hareket etmek, ve eğer, imleç ekranın sağ veya sol tarafında sadece sol veya sağ taşınmış olabilir.
    4. Çalışması başladığında, "T" harfi 2 saniye süreyle ekranda görünür. Sonra, hedeflerden biri, 1 saniye süreyle görünür.
    5. Bu 1 saniyelik bir süre sonra, imleç ekranın ortasında görünür. Söz konusu hedef imleci yönlendirmek için uygun hayal hareketleri kullanır. Konu isabet ederse, bu renk değişir. Aksi takdirde, bu konuda kez çıkışı oturumundan önce hedefi vurmak için 5 saniye ve karavana olarak sayılır.
    6. Yargılama sonucunda, bu konuda aksi takdirde yeniden ayarlamak pozisyonları yutmak, göz kırpma, rahatlayın, ya da sırasında 2 saniyelik bir yargılama arası aralığı vardır. Çalışmalar sırasında, hareket, hareket eserler ya da kas eserler azaltmak için mutlak bir minimum düzeyde tutulmalıdır. Bu da loş ışıklı bir odada rahat bir sandalyede oturmak için faydalıdır.
    7. 20 denemeden sonra, BCI2000 bekleme durumuna geçer. Bu süre zarfında, bu konu imleci hareket ettirmek için bazı ayarları yeniden ayarlamak için gerekli olabilir.
    8. 4 çalıştıktan sonra konu volitionally imleci hareket ettirmek için hala yetersiz olması durumunda, BCI2000 Çevrimdışı Analiz aracı yeniden toplanan verileri analiz etmek için gerekli olabilir. Yeni özellik araziler dayalı yeni kanallar ve frekansları seçin. Bir konu görev yetkin hale önce birkaç çalışır ya da belki birkaç seans sürebilir.

Bölüm 6: Temsilcisi Sonuçlar:

  1. Şekil 1 ve 2, imleç kontrolü için seçilen hangi kanal ve frekans bidonları gösteren kalibrasyon prosedürü için r-kare değerleri ve kafa derisi topografya göstermektedir.
  2. Hızlı bir şekilde 1 ya da 2 saniye içinde gösterilen hedef imleci hareket ettirmek için eğitimli bir konu gerekir.

Şekil 1

Şekil 1 A) ve B), sağ eli ile gerçek ve hayali hareketler sırasında 10-12 Hz bant spektral değişiklikler Topoğrafya . C) Güç geri kalanı boyunca C3 spektrumu (kesikli) ve hareket (katı). D) hareketi sırasında gücün r-kare geri kalanına kıyasla.

Şekil 2

Şekil 2 r-squared hayal sağ hareketi için tüm kanallar arasında. X-ekseni, 0 ile 70 Hz 2 Hz kutularına frekans. Y ekseni kanal numarası. Kontralateral motor korteksin el alanı kapsayacak kanal 9, 10, 17, 18 ve 19, en yüksek r-kare değerleri bulunur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

  1. Elektrot empedanslar düşük olması hayati önem taşımaktadır, ancak bu çok fazla jel empedansını düşürmek için kullanılan değildi. Bir tek kötü kanal ortak ortalama başvuru yoluyla tüm diğerlerini etkileyebilir. Empedans birkaç denemeden sonra azaltılmış olması değil. Eğer sadece jel enjekte iğne yerleştirilir yerinde bantlanmış olan bu delikten kötü elektrot içine takılı olması. Hangi bir hızlı-eklemek elektrot kullanılır olması bu tavsiye edilir.
  2. Ilk oturumu sırasında, söz konusu zorluk gerekli hareketleri hayal olabilir. Bu durumda, önce onları gerçek hareketler yapmak ve çevrimdışı analiz gerçek hareket verileri gerçekleştirmek için yararlı olabilir. Daha önce olduğu gibi gerçek hareket verileri imleç hareketi oturumu yapılandırın ve konu imleci hareket ettirmek için gerçek hareketler var. Tamamen geçinceye kadar birkaç çalıştıktan sonra, yavaş yavaş gerçek hareketi yapmayı durdurmak var. Kullanıcıların çoğu, birkaç seans sonra, imleci sadece "hareket" yerine tamamen motor görüntüleri kullanarak durdurmak ve.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Klinik Neuroengineering Eğitim Programı (1 T90 DK070079-01)
Wallace H Coulter Vakfı
NIH Kurumsal Klinik ve Translasyonel Bilim Ödülü
NIH / NCRR 1KL2RR025012-01
Wisconsin Mezunları Araştırma Vakfı

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