Mit Hilfe eines EEG-basierten Brain-Computer Interface für Virtual Cursor-Bewegung mit BCI2000

Biology

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Summary

In diesem Video zeigen wir die erforderlichen Schritte für ein Brain-Computer Interface Experimente, darunter die Errichtung der EEG-Haube, die Kalibrierung des Systems und Schulung der Anwender, um einen Cursor in zwei Dimensionen mit vorstellen Bewegungen bewegen laufen.

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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

Ein Brain-Computer Interface (BCI)-Funktionen durch die Übertragung eines neuronalen Signale, wie das Elektroenzephalogramm (EEG), in ein Signal, mit dem ein Computer oder ein anderes Gerät gesteuert werden können. Die Amplitude der EEG-Signale in ausgewählten Frequenzbins gemessen und in ein Gerät Befehl, in diesem Fall die horizontale und vertikale Geschwindigkeit eines Computer-Cursor. Zunächst werden die EEG-Elektroden, um den Benutzer s Kopfhaut mit einer Kappe zu Hirnaktivität aufzeichnen angewendet. Als nächstes wird eine Kalibrierung verwendet werden, um die EEG-Elektroden und Funktionen, die der Benutzer lernen, sich freiwillig zu modulieren, die BCI Verwendung finden. Bei Menschen, die Macht in den mu (8-12 Hz) und Beta (18-28 Hz) Frequenzen in Amplitudenabnahme während eines realen oder eingebildeten Bewegung. Diese Veränderungen können im EEG in Echtzeit erkannt und verwendet, um ein BCI ([1], [2]) zu steuern. Deshalb wird während eines Screening-Tests, wird der Benutzer aufgefordert, verschiedene vorstellen Bewegungen mit den Händen und Füßen machen den einzigartigen EEG Funktionen, die ändern sich mit der vorgestellten Bewegungen zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Kalibrierung zeigen die besten Kanäle zu benutzen, die so konfiguriert sind, dass Amplitude Veränderungen in der mu-und Beta-Frequenzbänder den Cursor zu bewegen entweder horizontal oder vertikal. In diesem Experiment ist die Allzweck-BCI-System BCI2000 zur Signalerfassung, Signalverarbeitung und Rückmeldungen an den Benutzer [3] zu kontrollieren.

Protocol

Versuchsdurchführung

  1. Anschließen der EEG-Elektroden
    1. Elektroden auf der Kopfhaut mit einer EEG-Haube befestigt werden, wodurch der Prozess der Sicherstellung, dass die Elektroden an der richtigen Stelle auf der Kopfhaut sind, wie die 10-20 internationale System angegeben.
    2. So platzieren Sie die Kappe, markieren Sie den Scheitelpunkt auf das Thema der Kopfhaut mit einem Filzstift oder einem ähnlichen Verfahren. Dazu, indem Sie das Nasion und Inion zum Thema zu beginnen. Mit einem Maßband, finden die Distanz zwischen diesen beiden Orten. Der Punkt in der Mitte zwischen den beiden Punkten, bzw. 50% des Abstandes, der Scheitelpunkt ist. Machen Sie eine Markierung an dieser Stelle zum späteren Nachschlagen. Weitere 10-20 Punkte können in ähnlicher Weise angeordnet werden.
    3. Finden Sie die Cz-Elektrode auf der Kappe, und positionieren Sie es auf dem Scheitel. Keeping Cz fest, rutschen die Kappe auf dem Kopf. Stellen Sie sicher, dass die Fz, Cz, Pz und Elektroden auf der Mittellinie der Kopfhaut sind, und dass die O1-O2-Elektroden sind waagerecht und eben mit Oz, und dass Fp1-Fp2 werden Ebene mit FPZ.
    4. Befestigen Sie nun die Referenz-Elektrode, die typischerweise Clips auf ein Ohrläppchen.
    5. Anschließend werden die Elektroden mit einem leitfähigen Gel gefüllt, so dass die Elektroden einen niederohmigen Kontakt mit der Kopfhaut zu machen. Dazu ist eine kleine Spritze mit einer stumpfen Nadel mit dem Gel gefüllt. Auch kann es hilfreich sein, die EEG-Spuren auf dem Bildschirm zu sehen, während das Gel angewendet wird, um festzustellen, ob die Verbindung gut ist.
    6. Legen Sie die Nadel in einer Elektrode, und sanft abschleifen die Kopfhaut mit der Nadel nicht mit einer toten Haut zu entfernen. Füllen Sie die Elektrode mit einer kleinen Menge des Gels, wobei darauf geachtet, es nicht zu überfüllen. Beginnen Sie mit dem Ohr Referenz-Elektrode, und wiederholen Sie für alle Elektroden, einschließlich der Boden.
    7. Überprüfen Sie die Impedanzen für alle Kanäle, die alle sein sollte weniger als 5 kW. Diese Methode ist abhängig von der jeweiligen Verstärker-System verwendet wird, aber es sollte möglich sein, die Impedanz entweder durch Hardware oder durch BCI2000 überprüfen.
    8. Wenn eine Elektrode über 5 kOhm, die Nadel wieder und schleifen die Kopfhaut noch mehr. Es sollte nicht notwendig sein, mehr Gel zu injizieren, wenn es keine Abnahme der Impedanz sind.
  2. Beziehen EEG Calibration Funktionen
    1. Zu Beginn einer Sitzung, vor allem das erste Mal ein Thema, die getestet wird, ist es sinnvoll, die EEG Funktionen, die zur Steuerung eines BCI verwendet werden können zu ermitteln. Dies liegt daran, obwohl die grundlegenden Eigenschaften der Mu-und Beta-EEG-Rhythmen die bei allen Menschen gleich sind, diese Funktionen von Person zu Person variieren, und müssen daher vor allen anderen Experimenten kalibriert werden.
    2. In der Kalibrierung Sitzung wird das Thema beauftragt, verschiedene Bewegungen mit den Händen oder Füßen in Reaktion auf visuelle Hinweise auf dem Bildschirm dargeboten vorstellen. Um loszulegen, sollte das EDV-System für Dual-Monitor-Modus konfiguriert werden, so dass die Forscher zeigen die Steuerungs-Software enthält, und der zweite Monitor zeigt die experimentelle Ausgang.
    3. Starten BCI2000 aus dem BCI2000Launcher, indem Sie Ihren Verstärker Quelle-Modul, das ARSignalProcessing Modul und StimulusPresentation Modul. In diesem Beispiel verwenden wir die gUSBampSource Modul, welches die g.USBamp Verstärker steuert.
    4. Fügen Sie den Parameter-Dateien für Sie einen Betreff, der Verstärker und der Motor Screening-Aufgaben. Diese sollten vor der Zeit konfiguriert werden, so dass sie einfach geladen werden können, und das Experiment kann beginnen.
    5. Sobald die Parameter-Dateien in die Dateiliste in BCI2000Launcher hinzugefügt haben, drücken Sie die Schaltfläche Starten. Wenn alles funktioniert, sollte BCI2000 starten, eine Spur der EEG-Daten angezeigt werden soll, und das Thema der Monitor leer sein sollte vor dem Start des Experiments.
    6. Während der Sitzung wird der Bildschirm entweder leer, oder es wird eine Anleitung, wie "Right Hand", "Left Hand", "Both Hands" oder Der Unterricht wird auf dem Bildschirm für 3s erscheint "Beide Füße." Während dieser Zeit sollte das Thema kontinuierlich vorstellen, dass die Bewegung. Die Handbewegungen sollten Öffnen und Schließen der Hände (z. B., wie Quetschen ein Tennisball), und der Fuß Bewegung sollte Bewegen der Füße hin und her (z. B., wie Druck auf ein Gaspedal mit beiden Füßen). Wenn der Bildschirm leer ist, sollte der Körper völlig entspannt.
    7. Bei einem Lauf ist jeder Körperteil 20 mal wiederholt. Idealerweise sollte es 100 Datenpunkte, was bedeutet, dass es insgesamt 5 läuft. Mit mehreren Sitzungen sind weniger läuft notwendig, da das Thema ist in der Lage, die imaginierte Aufgabe besser erfüllen.
  3. Die Analyse der EEG Funktionen
    1. Um zu bestimmen, welche EEG bietet das Thema in der Lage, sich freiwillig zu modulieren, um die BCI-Steuerung ist, ist die Kalibrierung analysiert offline mit dem BCI2000 Offline-Analyse-Tool, mit BCI2000 enthalten. Dieses Tool wandelt die gesammelten Daten in den Frequenzbereich feturen, die die Frequenzen und Standorte, die während der verschiedenen Bewegungen verändert und sind maximal mit den Aufgaben korreliert zeigt. Diese Funktionen können dann in einem BCI Experiment verwendet werden.
    2. Um festzustellen, welche Funktionen verwendet werden sollen, beginnen die BCI2000 Offline-Analyse-Tool. BCI2000 enthält ein ausführliches Tutorial für die Nutzung des Analyse-Tool, das für mehr Informationen konsultiert werden sollte.
    3. Bestimmen Sie, welche Funktionen EEG stark bei jeder Bewegung von der Suche nach der großen r-squared Werte in den Diagrammen aus dem Analyse-Tool erzeugt korreliert. Die Kanäle und Frequenz-Bins mit dem größten r-squared Werte (z. B. größer als 0,2) kann dann als ein Steuersignal Komponente für eine bestimmte Richtung gewählt werden. Zum Beispiel sollten Funktionen, die Änderung für die rechte Hand Bedingung aufgestellt werden, um den Cursor auf die rechte Seite des Bildschirms bewegen.
    4. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass die Mu / Beta-Rhythmen in der Amplitude mit einem zugehörigen Bewegung zu verringern. So, um den Cursor nach rechts zu bewegen, die positive x-Richtung, sollte diese Funktion haben ein negatives Gewicht zugeordnet.
    5. Die Kanäle und Frequenzen gewählt werden sollte im Einklang mit bekannten Eigenschaften des kortikalen sensomotorischen Rhythmen. Das heißt, dass wesentliche Änderungen mit entsprechenden vorstellen rechten Bewegung über den kontralateralen (links) motorischen Kortex, in der Nähe C3 und CP3 gesehen werden und zentriert in der Nähe 8-12 Hz und / oder 18-28 Hz. Ebenso sollte der linken Bewegungen in Veränderungen im Laufe der rechten motorischen Kortex auf die C4-und CP4 Elektroden führen und Fußbewegungen sollten über Cz und CPZ erscheinen. Wenn diese Positionen und Werte unterschiedlich sind, dann ist es wahrscheinlich, dass einige andere Geräusche oder zufälligen Effekt gemessen wurde, und sollte nicht als Control-Funktion konfiguriert werden.
    6. Für jeden Zustand ist, sollte den vier größten r-squared Werte in Bezug auf die Nummer des Kanals und bin Nummer gewählt werden. Die Frequenzen werden in 2 Hz Behälter angeordnet, so ein Feature mit einem hohen r-squared von 10 bis 12 Hz würde bin 6 aufgeführt sind. Mit diesen Werten in der Hand, kann das System für die Steuerung des Mauszeigers Aufgabe konfiguriert werden.
  4. Online-Feedback-Session Configuration
    1. Konfigurieren Sie die Cursor-Bewegung Sitzung in der BCI2000 Launcher.
    2. Vor Beginn des Experiments, müssen mehrere Parameter konfiguriert werden. Erstens sollte die räumliche Filter mit einer Common-Average-Referenz konfiguriert werden. Dazu Config Presse in der BCI2000 Betreiber, um das Einstellungen-Liste, und drücken Sie auf die Registerkarte Filtern.
    3. Zum SpatialFiltering, und ändern Sie die SpatialFilterType Drop-Down-Box, so dass es heißt "Common-Average-Referenz (CAR)."
    4. Unter SpatialFilter CAR-Ausgang, eine Liste der Kanalnamen oder Zahlen in die Kalibrierung Sitzung ausgewählt. Zum Beispiel können Sie "C3 C4 CP3 CP4 Cz CPZ" (ohne die Anführungszeichen), und BCI2000 wissen, welche Kanäle zu benutzen (vorausgesetzt, dass der Kanal Etiketten unter der "Channel Names"-Feld in der Registerkarte Quelle aufgeführt).
    5. Als nächstes muss der Klassifizierung Matrix konfiguriert werden, dass die ausgewählten Funktionen zu nutzen. Unter der Registerkarte Filtern, um die Classifier-Parameter und drücken Sie Bearbeiten Matrix zu gehen.
    6. Die Anzahl der Spalten auf 4 gesetzt werden, und die Anzahl der Zeilen sollte gleich der Gesamtzahl der ausgewählten Funktionen. Jede Matrix Zeile entspricht einem einzelnen Funktion.
    7. Die erste Spalte sollte enthalten alle Kanalnamen verwendet, z. B., C3, C4, etc. Die zweite Spalte enthält die Behälter zur Kontrolle ausgewählt. Es ist möglich, entweder einen bin Nummer oder einer besonderen Frequenz; Eingabe von "6" oder "11Hz" das gleiche bin auswählen, vorausgesetzt, dass die BinWidth Parameter ist "2 Hz" unter der Registerkarte Quelle. Die dritte Säule ist der Ausgangskanal, der Wert "1" entspricht eine horizontale Bewegung, und "2" entspricht vertikale Bewegung. Die Kanäle C3, CP3, C4 und CP4 sollte auf 1 für einen horizontalen Cursor-Steuerung Aufgabe eingestellt werden; C3, CP3, C4, CP4, Cz und CPZ sollte bis 2 für einen vertikalen Cursor-Steuerung Aufgabe eingestellt werden. Schließlich die vierte Spalte die Funktion Gewicht hält, und sollte in die entgegengesetzte Richtung bestimmt entsprechen, sollten z. B. C3 und CP3 -1 gewichtet werden, um den Cursor nach rechts bewegen, und C4 und CP4 sollte 1 gewichtet werden, um zu bewegen es nach links. So verschieben Sie den Cursor nach unten, Cz und CPZ 1 sollte abgewogen werden, und um den Cursor nach oben bewegen, sollten C3 und C4 -1 gewichtet werden.
  5. Cursor-Bewegung Task-
    1. Nun, da das System mit den richtigen Einstellungen konfiguriert ist, wird es Zeit, die experimentelle Aufgabe zu starten.
    2. Das System ist so konfiguriert, dass eines der vier Ziele während einer Verhandlung erscheinen. Das Thema hat das Ziel, den Cursor auf das richtige Ziel mit vorstellen Bewegungen entsprechend der gewünschten Richtung der Bewegung (z. B. rechten nach rechts, die Füße zu bewegen nach unten zu bewegen, etc) zu bewegen.
    3. Für die ersten Versuche, wird der Cursor auf die Achse des Ziels eingeschränkt. Das heißt, wenn das Ziel an der oberen oder unteren, ist esnur möglich, um den Cursor nach oben oder unten bewegen, und wenn es an der linken oder rechten Seite des Bildschirms, der Cursor kann nur nach links oder rechts sein.
    4. Wenn die laufen beginnt, erscheint der Buchstabe "T" auf dem Bildschirm für 2 Sekunden. Als nächstes erscheint eine der Zielvorgaben für 1 Sekunde.
    5. Nach diesem 1-Sekunden-Periode, erscheint der Cursor in der Mitte des Bildschirms. Das Thema wird die entsprechende vorstellen Bewegungen, um den Cursor auf das Ziel zu lenken. Wenn das Motiv trifft das Ziel, ändert es Farbe. Ansonsten hat das Thema 5 Sekunden, um das Ziel, bevor die Sitzung mal-out betroffen und wird als Fehler gewertet.
    6. Nach der Studie gibt es eine 2 Sekunden inter-Studie Intervall, in dem das Thema sich entspannen können, blink, schlucken, oder anderweitig neu zu justieren Positionen. Im Rahmen der Studien sollte Bewegung auf ein absolutes Minimum, um Bewegungsartefakte oder Muskel-Artefakte zu reduzieren gehalten werden. Es ist auch vorteilhaft in einem schwach beleuchteten Raum in einem bequemen Sessel sitzen.
    7. Nach 20 Versuchen tritt BCI2000 angehaltenen Zustand. Während dieser Zeit kann es erforderlich sein, um neu zu justieren einige der Einstellungen, wenn das Motiv nicht in der Lage, um den Cursor zu bewegen.
    8. Wenn nach 4 läuft das Thema ist noch nicht willentlich bewegen Sie den Cursor, kann es notwendig sein, um re-analysieren die gesammelten Daten in der BCI2000 Offline-Analyse-Tool. Wählen Sie die neuen Kanäle und Frequenzen auf die neue Funktion Grundstücke basiert. Es kann mehrere läuft oder möglicherweise mehrere Sitzungen vor ein Thema werden kann bei der Aufgabe beherrschen.

Teil 6: Repräsentative Ergebnisse:

  1. Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die r-squared Werte und Kopfhaut Topographie für die Kalibrierung, die angibt, welche Kanäle und Frequenz-Bins für Cursor-Steuerung ausgewählt werden.
  2. Eine ausgebildete Person sollte in der Lage sein, schnell bewegen Sie den Cursor auf die gezeigten Ziel innerhalb von 1 oder 2 Sekunden.

Abb. 1

Abbildung 1 A) und B) Topographie des spektralen Veränderungen in der 10-12 Hz Band während reale und imaginäre Bewegungen mit der rechten Hand. C) Das Leistungsspektrum von C3 in Ruhe (gestrichelt) und Bewegung (solid). D) Die r-squared von der Macht während der Bewegung zur Ruhe verglichen.

Abb. 2

Abbildung 2 Die r-squared über alle Kanäle für eingebildete Bewegung der rechten Hand. Die x-Achse ist die Frequenz in 2 Hz bins 0 bis 70 Hz. Die y-Achse ist die Kanalnummer. Die höchsten r-squared Werte sind auf den Kanälen 9, 10, 17, 18, und 19, die der kontralateralen Hand Bereich der motorischen Kortex Abdeckung gefunden.

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Discussion

  1. Es ist wichtig, dass die Elektrode Impedanzen niedrig sind, sondern dass zu viel Gel wurde nicht verwendet, um die Impedanz zu senken. Eine einzige schlechte Kanal kann alle anderen durch die Common-Average-Referenz beeinflussen. Wenn die Impedanz nicht nach mehreren Versuchen reduziert werden, empfiehlt es sich, eine schnelle einsetzen Elektrode verwendet werden, die einfach in die schlechte Elektrode durch das Loch, dass die Nadel durch ist für die Injektion des Gels platziert und mit Klebeband an Stelle eingefügt werden.
  2. Während der ersten Sitzung, können Gegenstand haben schwer vorstellen die erforderlichen Bewegungen. In diesem Fall kann es hilfreich sein, haben sie machen die realen Bewegungen zuerst, und führen Sie die Offline-Analyse der realen Bewegung von Daten. Konfigurieren Sie die Cursor-Bewegung Sitzung nach wie vor mit der realen Bewegung Daten und haben das Thema mit der tatsächlichen Bewegungen, um zu versuchen, um den Cursor zu bewegen. Nach ein paar läuft, haben sie nach und nach aufhören, die wirkliche Bewegung, bis sie vollständig gestoppt haben. Nach mehreren Sitzungen, stoppen die meisten Nutzer mit motorischen Vorstellungen zusammen, und stattdessen nur "move" des Cursors.

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Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Klinische Neuroengineering Training Program (1 T90 DK070079-01)
Wallace H Coulter Foundation
NIH Institutional Clinical and Translational Science Award
NIH / NCRR 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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