El uso de un EEG basado en interfaz cerebro-ordenador para el movimiento del cursor virtual con BCI2000

Biology

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Summary

En este vídeo, que muestran los pasos necesarios para realizar una prueba de interfaz cerebro-ordenador, incluyendo la creación de la tapa del EEG, la calibración del sistema, y ​​la capacitación del usuario para mover un cursor en dos dimensiones con movimientos imaginarios.

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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

Una interfaz cerebro-ordenador (BCI) funciona mediante la traducción de una señal neural, tales como el electroencefalograma (EEG), en una señal que se puede utilizar para controlar un ordenador u otro dispositivo. La amplitud de las señales de EEG en los contenedores de frecuencia seleccionada se miden y se tradujo en un comando de dispositivo, en este caso la velocidad horizontal y vertical de un cursor de ordenador. En primer lugar, los electrodos de EEG se aplican al cuero cabelludo del usuario s con una tapa para registrar la actividad cerebral. A continuación, un procedimiento de calibración se utiliza para encontrar los electrodos de EEG y las características que el usuario aprende a modular la voluntad de utilizar el BCI. En los seres humanos, el poder de la mu (12/08 Hz) y beta (18-28 Hz) bandas de frecuencia de disminución de la amplitud en un movimiento real o imaginario. Estos cambios pueden ser detectados en el EEG en tiempo real, y se utiliza para controlar una BCI ([1], [2]). Por lo tanto, durante una prueba de detección, el usuario se le pide hacer varios movimientos diferentes imaginado con las manos y los pies para determinar las características únicas del EEG que cambian con el movimiento imaginado. Los resultados de esta calibración se muestran los mejores canales para el uso, que se configuran de modo que los cambios de amplitud en el mu y las bandas de frecuencia beta mover el cursor de forma horizontal o vertical. En este experimento, el propósito general del sistema BCI BCI2000 se utiliza para controlar la adquisición de señales, procesamiento de señales, y la retroalimentación para el usuario [3].

Protocol

Procedimiento experimental

  1. Conexión de los electrodos de EEG
    1. Se le conectarán electrodos en el cuero cabelludo con una tapa de EEG, lo que simplifica el proceso de asegurar que los electrodos estén en el lugar adecuado en el cuero cabelludo, como se especifica en el sistema internacional 10-20.
    2. Para colocar la tapa, marca el vértice en el cuero cabelludo del sujeto con un bolígrafo de punta de fieltro u otro método similar. Para ello, comenzar por ubicar el nasion y inion sobre el tema. Utilizando una cinta métrica, encontrar la distancia entre estas dos localidades. El punto medio entre los dos puntos, o un 50% de la distancia, es el vértice. Haga una marca en ese punto para su posterior consulta. Otros 10-20 puntos se pueden localizar de una manera similar.
    3. Encontrar el electrodo Cz en la tapa, y colóquelo en el vértice. Mantener fijo Cz, deslice la tapa en la cabeza. Asegúrese de que los electrodos Fz, Cz, Pz y están en la línea media del cuero cabelludo, y que los electrodos O1-O2 es horizontal y el nivel de Oz, y que FP1-FP2 están al nivel de FPZ.
    4. Ahora, coloque el electrodo de referencia, que normalmente se sujeta en un lóbulo de la oreja.
    5. A continuación, los electrodos están llenos de un gel conductor para que los electrodos hacer un contacto de baja impedancia con el cuero cabelludo. Para ello, una pequeña jeringa con una aguja de punta roma se llena con el gel. Además, puede ser útil para ver las huellas de EEG en la pantalla del ordenador, mientras que el gel se aplica para determinar si la conexión es buena.
    6. Insertar la aguja en un electrodo, y suavemente raspe el cuero cabelludo con la aguja para extraer la piel muerta. Rellene el electrodo con una pequeña cantidad de gel, con cuidado de no llenar en exceso. Comience con el electrodo de referencia del oído, y repite para todos los electrodos, incluyendo el suelo.
    7. Compruebe la impedancia de todos los canales, que debería ser inferior a 5 kW. Este método varía dependiendo del sistema de amplificación de concreto que se utilice, pero debe ser posible verificar la impedancia a través de hardware o por medio de BCI2000.
    8. Si un electrodo es de más de 5 kW, insertar la aguja de nuevo, y matizar el cuero cabelludo un poco más. No debería ser necesario inyectar más gel, a menos que no hay disminución de la impedancia.
  2. Características de la obtención de EEG de calibración
    1. En el inicio de una sesión, sobre todo la primera vez que se está sujeto a prueba, es útil para determinar las características del EEG que se puede utilizar para controlar una BCI. Esto es porque aunque las propiedades básicas de la Mu y Beta ritmos EEG son los mismos para todas las personas, estas características pueden variar de persona a persona, y por lo tanto necesita ser calibrado antes de cualquier otros experimentos.
    2. En la sesión de la calibración, el sujeto se le pide que imagine los movimientos diferentes que involucran a sus manos o los pies, en respuesta a las señales visuales presentados en el monitor. Para empezar, el sistema de equipo debe estar configurado para el modo de monitor dual, de modo que la pantalla del investigador contiene el software de control, y el segundo monitor muestra el resultado experimental.
    3. Inicio BCI2000 de la BCI2000Launcher mediante la selección de su módulo de amplificador de la fuente, el módulo ARSignalProcessing, y el módulo de StimulusPresentation. En este ejemplo, estamos utilizando el módulo gUSBampSource, que controla el amplificador g.USBamp.
    4. Agregar los archivos de parámetros para el sujeto, el amplificador, y las tareas de detección del motor. Estos deben ser configurados antes de tiempo, de modo que sólo se puede cargar, y el experimento puede comenzar.
    5. Una vez que los archivos de parámetros se han añadido a la lista de archivos en BCI2000Launcher, pulse el botón Iniciar. Si todo ha funcionado correctamente, BCI2000 debe comenzar, un rastro de los datos de EEG debe aparecer, y supervisar el sujeto debe estar en blanco antes del inicio del experimento.
    6. Durante la sesión, la pantalla se quedará en blanco, o mostrar una instrucción, tales como "mano derecha", "mano izquierda", "ambas manos", o la instrucción aparecerá en la pantalla por 3s "ambos pies."; Durante en esta ocasión, el tema continua debe imaginar el movimiento. Los movimientos de las manos debe abrir y cerrar las manos (por ejemplo, como apretar una pelota de tenis), y el movimiento de los pies deben mover los pies hacia atrás y adelante (por ejemplo, como presionar un pedal con ambos pies). Cuando la pantalla está en blanco, el cuerpo debe estar completamente relajado.
    7. Durante la carrera, cada parte del cuerpo se repite 20 veces. Idealmente, debería ser de 100 puntos de datos, lo que significa que debe haber un total de cinco carreras. Con varias sesiones, menos carreras son necesarias, ya que el sujeto es capaz de realizar la tarea de imaginar mejor.
  3. Analizar las características del EEG
    1. Con el fin de determinar las características EEG el sujeto es capaz de modular voluntariamente con el fin de controlar la información comercial confidencial, los datos de calibración se analiza en línea mediante la herramienta de análisis fuera de línea BCI2000, incluido con BCI2000. Esta herramienta convierte los datos recogidos en el dominio de la frecuencia feAtures, que muestra las frecuencias y los lugares que han cambiado durante los diferentes movimientos, y la correlación máxima con las tareas. Estas características se pueden utilizar en un experimento de BCI.
    2. Para determinar qué características deben usarse, inicie la herramienta BCI2000 análisis fuera de línea. BCI2000 incluye un extenso tutorial para el uso de la herramienta de análisis, que debe ser consultado para obtener más información.
    3. Determinar las características del EEG están fuertemente correlacionados con cada movimiento, encontrando el R-cuadrado grandes valores en los gráficos realizados a partir de la herramienta de análisis. Los canales y los cubos de la frecuencia con la más grande valores R-cuadrado (por ejemplo, mayor que 0,2) puede ser seleccionado como un componente de la señal de control para una determinada dirección. Por ejemplo, las características que el cambio de la condición de mano derecha debe estar configurado para mover el cursor a la derecha de la pantalla.
    4. También es importante recordar que el Mu / ritmos Beta disminución de la amplitud con un movimiento asociado. Por lo tanto, con el fin de mover el cursor a la derecha, lo positivo de las x, esta característica debe tener un peso negativo asociado a él.
    5. Los canales y frecuencias elegido debe ser compatible con las propiedades conocidas de los ritmos corticales sensorio. Es decir, los cambios significativos que corresponde con el movimiento imaginado mano derecha debe ser visto en la corteza cerebral contralateral (izquierda) del motor, cerca de C3 y CP3 y centrada cerca de 08/12 Hz y / o 18-28 Hz. Del mismo modo, los movimientos de la mano izquierda debe dar lugar a cambios en el derecho de la corteza motora en el C4 y CP4 electrodos, y movimientos de los pies debe aparecer en Cz y CPZ. Si estos lugares y los valores son diferentes, entonces es probable que algún otro ruido o de efectos aleatorios se midió, y no debe ser configurada como una función de control.
    6. Para cada condición, los cuatro mayores valores R-cuadrado se debe elegir en función del número de canal y el número de depósito. Las frecuencias se disponen en dos contenedores de Hz, por lo que una característica con una alta r-cuadrado 10 a 12 Hz que aparecen en la bandeja 6. Con estos valores en la mano, el sistema puede ser configurado para la tarea de control del cursor.
  4. Comentarios en línea de configuración de sesión
    1. Configure la sesión de movimiento del cursor en el Lanzador BCI2000.
    2. Antes de comenzar el experimento, varios parámetros se deben configurar. En primer lugar, el filtro espacial se debe configurar con una referencia común de la media. Para hacerlo, pulse Configuración en el operador BCI2000 para que aparezca la lista de ajustes y pulse la pestaña de filtrado.
    3. Ir al SpatialFiltering, y cambiar el SpatialFilterType cuadro desplegable para que diga "Common-Media de Referencia (CAR)."
    4. Bajo la producción de automóviles SpatialFilter, una lista de los nombres de los canales o los números seleccionados en la sesión de calibración. Por ejemplo, puede escribir "C3 C4 CP4 CP3 Cz CPZ" (sin las comillas), y BCI2000 conocer la voluntad de los canales a utilizar (siempre que las etiquetas de los canales se enumeran en la sección "Nombres de canal" campo en la ficha Fuente).
    5. A continuación, la matriz de clasificación debe estar configurado para utilizar las funciones seleccionadas. En la ficha Filtros, ir al parámetro clasificador y Matrix pulse Editar.
    6. El número de columnas debe ser ajustado a 4, y el número de filas debe ser igual al número total de las funciones seleccionadas. Cada fila de la matriz corresponde a una característica individual.
    7. La primera columna debe contener todos los nombres de los canales utilizados, por ejemplo, C3, C4, etc La segunda columna contiene los contenedores seleccionados para el control. Es posible que introduzca un número de depósito o frecuencia específica, entrar en "6" o "11Hz", se seleccionará el mismo contenedor, siempre que el parámetro BinWidth es "2 Hz" en la pestaña Fuente. La tercera columna es el canal de salida, el valor "1" corresponde a un movimiento horizontal, y "2" corresponde al movimiento vertical. El C3 canales, CP3, C4, y CP4 se debe establecer en 1 para una tarea de control del cursor horizontal, C3, CP3, C4, CP4, Cz y CPZ se establece en 2 para una tarea de control del cursor vertical. Finalmente, la cuarta columna sostiene el peso característica de, y debe corresponder a la dirección opuesta previsto, por ejemplo, C3 y CP3 deben ser ponderados -1 para mover el cursor a la derecha, y C4 y CP4 deben ser ponderados de 1 a mover hacia la izquierda. Para mover el cursor hacia abajo, Cz y CPZ deben ponderarse 1, y para mover el cursor hacia arriba, C3 y C4 debe ser ponderada -1.
  5. Tareas del movimiento del cursor
    1. Ahora que el sistema está configurado con la configuración correcta, es hora de comenzar la tarea experimental.
    2. El sistema está configurado de modo que uno de los cuatro objetivos que aparecen durante un juicio. El objetivo del tema es para mover el cursor con el objetivo correcto uso de los movimientos imaginado que corresponde a la dirección deseada de movimiento (por ejemplo, la mano derecha para mover el pie derecho, para bajar, etc.)
    3. Para las primeras pruebas, el cursor está restringido al eje del objetivo. Es decir, si el objetivo está en la parte superior o inferior, essólo es posible mover el cursor hacia arriba o hacia abajo, y si es a la izquierda oa la derecha de la pantalla, el cursor sólo se puede mover hacia la izquierda o la derecha.
    4. Cuando la carrera comienza, la letra "T" aparece en la pantalla durante 2 segundos. A continuación, uno de los objetivos aparece durante 1 segundo.
    5. Después de este período de 1 segundo, el cursor aparece en el centro de la pantalla. El tema utiliza los movimientos apropiados imaginado para dirigir el cursor hacia el objetivo. Si el sujeto se da en el blanco, cambia de color. De lo contrario, el tema tiene 5 segundos para alcanzar el objetivo antes de la sesión los tiempos de espera y se cuenta como una falta.
    6. Después del juicio, hay un 2 segundos entre ensayos intervalo durante el cual el sujeto puede relajarse, abrir y cerrar, tragar, o de lo contrario volver a ajustar posiciones. Durante los ensayos, el movimiento debe mantenerse a un mínimo absoluto para reducir artefactos de movimiento o artefactos musculares. También es beneficioso para sentarse en una habitación con poca luz en una silla cómoda.
    7. Después de 20 ensayos, BCI2000 entra en un estado de suspensión. Durante este tiempo, puede ser necesario volver a ajustar algunas de las opciones si el sujeto es incapaz de mover el cursor.
    8. Si después de cuatro carreras el tema es aún no puede mover el cursor volitivamente, puede ser necesario volver a analizar los datos recogidos en la herramienta de Análisis BCI2000 sin conexión. Seleccione los nuevos canales y frecuencias basadas en las parcelas de nueva característica. Puede tomar varias carreras o sesiones de posiblemente varios antes de que un sujeto puede llegar a ser competentes en la tarea.

Parte 6: Resultados del representante:

  1. Las figuras 1 y 2 se muestran los valores R-cuadrado y la topografía del cuero cabelludo para el procedimiento de calibración, lo que indica que los canales y depósitos de frecuencia debe ser seleccionado para el control del cursor.
  2. Un sujeto entrenado debe ser capaz de mover rápidamente el cursor hacia el destino que se muestra dentro de 1 o 2 segundos.

Fig. 1

Figura 1 A) y B) La topografía de los cambios espectrales en la banda de 10 a 12 Hz durante los movimientos reales e imaginarios con la mano derecha. C) El espectro de potencia de C3 durante el descanso (línea discontinua) y el movimiento (sólido). D) El R-cuadrado de la potencia durante el movimiento en comparación con el resto.

Fig. 2

Figura 2 El R-cuadrado en todos los canales de imaginar el movimiento de la derecha. El eje X es la frecuencia en dos contenedores Hz de 0 a 70 Hz. El eje y es el número de canal. Los más altos valores R-cuadrado se encuentran en los canales 9, 10, 17, 18 y 19, que cubren el área de la mano contralateral de la corteza motora.

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Discussion

  1. Es vital que las impedancias de electrodos son bajos, pero que demasiado gel no se usa para bajar la impedancia. Un canal de mal solo puede afectar a todos los demás a través de la referencia común de la media. Si la impedancia no puede ser reducido después de varios intentos, se recomienda que un electrodo de rápida inserción se utiliza, lo que simplemente puede ser insertado en el electrodo mal a través del orificio que se coloca la aguja a través de la inyección del gel, y asegura en su lugar.
  2. Durante la primera sesión, el sujeto puede tener dificultades para imaginar los movimientos requeridos. En este caso, puede ser útil para hacer que hagan los movimientos reales en primer lugar, y realizar el análisis en línea los datos de movimiento real. Configure la sesión de movimiento del cursor como antes, con los datos de movimiento real, y que el sujeto utiliza los movimientos reales para tratar de mover el cursor. Después de algunas carreras, han poco a poco dejar de hacer el movimiento real, hasta que se hayan detenido completamente. Después de varias sesiones, la mayoría de los usuarios dejar de utilizar las imágenes de motor por completo, y en lugar de simplemente "mover" el cursor.

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Acknowledgements

NIH RO1 NIBIB: 1R01EB009103-01
Neuroingeniería clínicos Programa de Capacitación (1 T90 DK070079-01)
Wallace H Coulter Fundación
NIH Institucional ciencia clínica y traslacional Premio
NIH / CNRR 1KL2RR025012-01
Wisconsin Alumni 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

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