基于EEG的脑机接口使用虚拟光标移动与BCI2000

Biology

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Summary

在这个视频中,我们展示了一个脑 - 机接口实验,包括设立脑电图帽,校准系统,并培训用户,移动光标在两个尺寸,用想象运动一个需要运行的步骤。

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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

一个脑 - 机接口(BCI)的功能,把一个神经信号的脑电图(EEG),成一个,可以用来控制计算机或其他设备的信号,如。在选定的频率垃圾箱的脑电信号的幅度进行测量,并翻译成一个设备命令在这种情况下,计算机光标的水平和垂直速度。一,脑电图电极应用到用户的头皮,使用记录大脑活动的第。接下来,校准程序是用来寻找脑电图电极和功能,用户将学习自愿调节使用的BCI。在人类中,在万亩功率(8-12赫兹)和β(18-28赫兹)频段下降幅度在一个真实或想象的的运动。这些变化可在脑电图实时检测,并用来控制BCI([1] [2])。因此,在筛选试验中,用户要求,使几种不同的想象与他们的手和脚的动作,以确定独特的脑电图改变与想象的运动功能。从这个校准结果将显示使用的最佳渠道,这是配置,以便在毛乌素和β频段的振幅变化垂直或水平移动光标。在这个实验中,通用的BCI系统BCI2000是用来控制信号采集,信号处理,并反馈给用户[3]。

Protocol

实验过程

  1. 脑电图电极的连接
    1. 电极会附着在头皮上使用脑电图帽;这简化了确保电极在头皮上的适当位置的过程中,10-20国际体系中指定。
    2. 若要帽,标志主体的头皮上的顶点使用毡尖笔或一些其他类似的方法。要做到这一点,开始寻找关于这个问题的鼻根和枕外隆凸尖。用一个卷尺,找到这两个地点之间的距离。点之间的两分,或50%的距离,中间是顶点。请,以供日后参考点的标记。其他10-20点可设在类似的方式。
    3. 查找锆电极帽,和顶点的位置。保持锆石固定,防滑盖到头上。确保FZ,CZ,PZ电极上的头皮中线,O1 - O2电极与OZ的水平和层次,以及FP1,FP2,FPZ的水平。
    4. 现在,参比电极连接,通常到一个耳垂的剪辑。
    5. 接下来,电极用导电胶填充,使电极与头皮的低阻抗的接触。要做到这一点,用钝头的针的小注射器充满凝胶。此外,它可在计算机屏幕上看到的脑电图的痕迹,而凝胶被应用,以确定是否连接好。
    6. 插入电极针,轻轻擦伤了头皮针,以消除任何死皮。填充少量的凝胶电极,小心​​不要过满。开始用耳参比电极,并重复所有电极,包括地面。
    7. 检查所有通道,都应该小于5kΩ的阻抗。这种方法会有所不同,根据正在使用的特定放大器系统,但它应该有可能通过硬件或通过BCI2000阻抗检查。
    8. 如果超过5kΩ的电极,再插入针头,和擦伤头皮。它不应该有必要投入更多的凝胶,除非有阻抗没有下降。
  2. 获取脑电图校准功能
    1. 在会话的开始,尤其是第一次的主题是正在测试,它是有用的,确定可以用于控制一个BCI的脑电图功能。这是因为虽然毛乌素和β脑电节律的基本属性是所有的人一样,这些功能会有所不同从人到人,并因此需要进行校准之前,任何其他的实验。
    2. 在校准会议,主题是指示想象中不同的动作反应在显示器上呈现的视觉线索,涉及他们的手或脚。要开始,计算机系统应配置双显示器模式,使研究者的显示屏包含了控制软件,并在第二台监视器显示实验输出。
    3. 从BCI2000Launcher开始选择你的功放源模块,ARSignalProcessing模块和StimulusPresentation模块BCI2000。在这个例子中,我们使用gUSBampSource模块,控制g.USBamp放大器。
    4. 添加的参数为你的主题文件,放大器和电机的筛查任务。应提前配置这些,使他们可以简单地加载,并可以开始实验。
    5. 一旦参数文件已被添加到文件列表中BCI2000Launcher中时,按下启动按钮。如果一切运行正常,BCI2000应该启动,应该出现一丝的脑电图数据,和主体的监测实验开始之前应该是空白的。
    6. 会议期间,屏幕上会是空白的,或显示指令,如“右手”,“左手”,“两手”,或指令3S屏幕上会出现“两只脚。”;在这个时候,主体应不断想象的运动。手的动作应该是打开和关闭的手(例如,像挤压网球),和脚的运动应双脚来回移动(例如,如按下油门踏板上用双脚)。当屏幕是空白的,身体要完全放松。
    7. 在运行过程中,每一个身体的一部分是重复20次。理想的情况下,应该有100个数据点,这意味着应该有一个5运行的总。多个会话,更少的运行是必要的,因为这个问题是能够更好地执行可想而知任务。
  3. 脑电图特征分析
    1. 为了确定主体能够自愿调节,以控制的BCI脑电图特点,校准数据分析脱机状态下使用BCI2000离线分析工具,包括与BCI2000。此工具收集到的数据转换成频域FE结温,这表明在不同的动作改变,并最大限度地与任务相关的频率和位置。这些功能可以被用来在BCI实验。
    2. 要确定应使用哪些功能,启动BCI2000离线分析工具。 BCI2000包括一个广泛使用的分析工具,应更多信息咨询教程。
    3. 确定脑电图特点是强烈的每个动作相关,通过查找分析工具产生的田块大的R -平方值。最大的R -平方值(例如,大于0.2)的渠道和频率箱,然后可以选择作为一个特定的方向控制信号组件。例如,功能,右手条件的变化,应设立光标移动到屏幕右侧。
    4. 同样重要的是,要记住减少亩/β节律在与一个关联的运动幅度。因此,为了将光标移动到右边,正x方向,这个功能应该有一个与它相关的负重量。
    5. 选择的渠道和频率应与已知属性的皮质感觉运动节律一致。也就是说,相应的重大变化与想象的右手运动应该看到较对侧(左),C3和CP3附近运动皮层和8-12赫兹和/或18-28赫兹附近为中心。同样,左手运动应在C4和CP4电极右运动皮质上的变化结果,和脚的动作应该会出现比CZ和CPZ。如果这些位置和值是不同的的,那么它可能是其他一些噪声或随机效应测量,不应该作为控制功能配置。
    6. 对于每个条件,四个最大的R -平方值应选择的通道数量和BIN号。的频率2赫兹箱,所以被安排在高R平方10-12赫兹的功能将出现在6斌。有了这些值,系统可以配置为光标控制任务。
  4. 在线反馈会话配置
    1. 配置BCI2000启动光标移动会议。
    2. 在实验开始之前,有几个参数需要配置。首先,空间滤波器应配置一个共同的平均参考。要做到这一点,按Config中的BCI2000运营商带来了设置列表,并按下“筛选”选项卡。
    3. SpatialFiltering,和改变SpatialFilterType下拉框,以便它说,“共同平均参考(CAR)。”
    4. 根据SpatialFilter汽车产量,列表中的频道名称或所选号码在校准会议。例如,您可以键入“C3 CP3 C4的CP4锆CPZ”(不带引号),并BCI2000会知道使用哪条通道(通道标签,在“源”选项卡下的“通道名称”字段中列出的)。
    5. 其次,分类矩阵必须配置使用选择功能。在“筛选”选项卡,分类参数,然后按编辑矩阵。
    6. 应列数设置为4,行数,应等于所选功能的总数。每个矩阵的行对应到个别的功能。
    7. 第一列应该包含所有正在使用的通道名称,如C3,C4等,第二列选择控制箱。很可能进入一个bin号码或特定的频率,进入“6”或“11Hz”,将选择同斌,BinWidth参数“下的”源“选项卡”2赫兹。第三列是输出通道;的值“1”对应的水平运动,“2”对应的垂直运动。应设置为1通道C3,CP3,C4,和CP4水平的光标控制任务; C3,CP3,C4,CP4,CZ和CPZ应设置一个垂直的光标控制任务2。最后,第四列拥有的功能,重量,并应符合既定的方向相反 ,例如,C3和CP3应加权-1向右移动光标,和C4和CP4应加权使其左右移动。向下移动光标,CZ和CPZ应加权1,向上移动光标,C3和C4应加权-1。
  5. 光标移动任务
    1. 现在,该系统是用正确的设置配置,它是时间开​​始的实验任务。
    2. 该系统配置,四个目标之一,这样就会出现在审判。该课题的目标是将光标移动到正确的目标,使用相应所需的运动方向(例如,右手向右移动,双脚向下移动等)想象运动。
    3. 对于第一次试验中,将光标约束轴的目标。也就是说,如果目标是在顶部或底部,它是只能移动光标向上或向下,如果这是在左或右的画面,光标只能向左或向右移动。
    4. 当开始运行时,字母“T”出现在2秒钟的画面。下一步的目标之一出现1秒。
    5. 在此之后1秒的时间内,光标出现在屏幕中间。主体采用适当的想象运动直接目标的光标。如果这个问题击中目标,它会改变颜色。否则,受5秒前打次会议的目标和计小姐。
    6. 庭审结束后​​,有2秒审间的间隔,在此期间,这个问题可以放松,眨眼,吞咽,或以其他方式重新调整职位。在试验中,运动应保持在绝对最低,以减少运动伪影或肌肉文物。这也有利于在一个昏暗的房间,舒适的椅子坐。
    7. 经过20次试验,BCI2000进入暂停状态。在这段时间内,它可能需要重新调整一些设置,如果这个问题是无法将光标移动。
    8. 如果4运行后的主体仍是无法volitionally移动光标,可能有必要重新分析BCI2000离线分析工具收集的数据。选择基础上的新功能地块的新途径和新频率。它可能需要多次运行或可能的几个会议前一个主题能够成为精通的任务。

第6部分:代表性的成果:

  1. 图1,图2显示了R -平方值的校准程序和头皮地形,应选择光标控制渠道和频率箱。
  2. 一个训练有素的主体应该是1或2秒内能够快速移动光标移动到如图所示的目标。

图1

图1 A)和B)在10-12赫兹波段的光谱变化,在现实和想象的动作用右手中的地形。三)在休息C3上的功率谱(虚线)和运动(固体)。 D)R -平方的运动过程中的权力相比,休息。

图2

图2中的R -平方跨越想象右手运动的所有通道。 X轴是在2赫兹箱从0到70赫兹的频率。 Y轴是通道号。最高的R -平方值发现渠道,9,10,17,18和19,其中包括对侧手运动皮层区。

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Discussion

  1. 至关重要的是,电极阻抗低,但没有太多的凝胶用来降低阻抗。一个单一坏通道,可以影响所有的人,通过共同的平均参考。如果阻抗可以不被多次尝试后减少,建议,一个快速的插入电极可用于,这可以简单地将进入的通过孔坏电极针放在通过注射凝胶,并在录音插入。
  2. 在第一届会议,主题可能很难想象所需的动作。在这种情况下,可能会有所帮助他们做出真正的动作,第一,真正的运动数据进行离线分析。配置光标移动会话,像以前那样与现实的运动数据和主体使用的实际运动,企图将光标移动。经过几次比赛中,让他们真正的运动逐渐停止,直到他们完全停止。几次会议后,大多数用户完全停止使用电机图像,而只是“移动”光标。

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Acknowledgements

美国国立卫生研究院NIBIB RO1:1R01EB009103 - 01
临床Neuroengineering培训计划(1 T90 DK070079 - 01)
华莱士H库尔特基金会
美国国立卫生研究院的机构临床和转化科学奖
美国国立卫生研究院/ NCRR 1KL2RR025012 - 01
威斯康星校友研究基金会

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

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