Usando um EEG-Based Interface Cérebro-Computador para Movimento do Cursor Virtual com BCI2000

Biology

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Summary

Neste vídeo, demonstramos os passos necessários para executar um experimento de interface cérebro-computador, incluindo a configuração da tampa EEG, calibrar o sistema e treinamento do usuário para mover um cursor em duas dimensões usando movimentos imaginados.

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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

Uma interface cérebro-computador (BCI) funções, traduzindo um sinal neural, tais como o eletroencefalograma (EEG), em um sinal que pode ser usado para controlar um computador ou outro dispositivo. A amplitude dos sinais de EEG em caixas freqüência selecionada são medidos e convertidos em um comando de dispositivo, neste caso, a velocidade horizontal e vertical de um cursor de computador. Primeiro, os eletrodos de EEG são aplicados ao couro cabeludo que o usuário está usando um boné para registrar a atividade cerebral. Em seguida, um procedimento de calibração é usado para localizar os eletrodos de EEG e funcionalidades que o usuário irá aprender a modular voluntariamente para usar o BCI. Em humanos, o poder no mu (12/08 Hz) e beta (18-28 Hz) bandas de frequência diminuição da amplitude durante um movimento real ou imaginado. Essas alterações podem ser detectadas no EEG em tempo real, e usado para controlar um BCI ([1], [2]). Portanto, durante um teste de triagem, o usuário é convidado a fazer vários movimentos diferentes imaginado com as mãos e os pés para determinar as características únicas EEG que mudam com os movimentos imaginados. Os resultados desta calibração irá mostrar os melhores canais para uso, que são configurados para que mudanças na amplitude mu e bandas de freqüência beta mover o cursor horizontalmente ou verticalmente. Neste experimento, o uso geral do sistema BCI BCI2000 é usado para controlar a aquisição de sinal, processamento de sinal, e feedback para o usuário [3].

Protocol

Procedimento Experimental

  1. Ligar o Eletrodos EEG
    1. Eletrodos será anexado ao couro cabeludo usando uma touca de EEG, o que simplifica o processo de assegurar que os eletrodos estão no local apropriado no couro cabeludo, conforme especificado pelo sistema internacional 10-20.
    2. Para colocar a tampa, marca o vértice no couro cabeludo do sujeito usando uma caneta com ponta de feltro ou algum outro método similar. Para isso, começar por localizar o násio e ínion sobre o assunto. Utilizando uma fita métrica, encontrar a distância entre estes dois locais. O ponto médio entre os dois pontos, ou 50% da distância, é o vértice. Faça uma marca nesse ponto para referência posterior. Outros 10-20 pontos podem ser localizados em uma maneira similar.
    3. Encontre o eletrodo Cz na tampa e posicione-o no vértice. Mantendo fixos Cz, deslizamento da tampa sobre a cabeça. Garantir que os eletrodos Fz, Cz e Pz estão na linha média do couro cabeludo, e que os eletrodos O1-O2 são horizontais e com nível de Oz, e que Fp1-Fp2 são de nível com Fpz.
    4. Agora conecte o eletrodo de referência, que normalmente prende a um lóbulo da orelha.
    5. Em seguida, os eletrodos são preenchidos com um gel condutor para que os eletrodos fazer um contato de baixa impedância com o couro cabeludo. Para isso, uma pequena seringa com uma agulha de ponta romba é preenchido com o gel. Além disso, pode ser útil para ver os traços EEG na tela do computador enquanto o gel está sendo aplicado para determinar se a conexão é boa.
    6. Inserir a agulha em um eletrodo, e gentilmente abrade o couro cabeludo com a agulha para remover toda a pele morta. Preencha o eletrodo com uma pequena quantidade de gel, tomando cuidado para não encha demais. Começar com o eletrodo de referência da orelha, e repetir para todos os eletrodos, incluindo o chão.
    7. Verifique as impedâncias para todos os canais, que deverão todos ser inferior a 5 kW. Este método vai variar dependendo do sistema amplificador especial a ser utilizado, mas deve ser possível verificar a impedância seja através de hardware ou através BCI2000.
    8. Se um eletrodo é mais de 5 kW, inserir a agulha de novo, e abrasão do couro cabeludo um pouco mais. Não deve ser necessário injectar mais gel, menos que não haja diminuição na impedância.
  2. Obtenção de recursos de calibração EEG
    1. No início de uma sessão, especialmente a primeira vez que um assunto está sendo testada, é útil para determinar as características do EEG que pode ser usado para controlar um BCI. Isso ocorre porque, embora as propriedades básicas do Mu e Beta ritmos EEG são as mesmas para todas as pessoas, estas características irão variar de pessoa para pessoa e, portanto, precisam ser calibrados antes de qualquer outros experimentos.
    2. Na sessão de calibração, o sujeito é instruído a imaginar diferentes movimentos que envolvam as mãos ou pés em resposta a estímulos visuais apresentados no monitor. Para começar, o sistema de computador deve ser configurado para o modo dual-monitor, de modo que exibir o pesquisador contém o software de controle, e segundo monitor exibe a saída experimental.
    3. Iniciar BCI2000 do BCI2000Launcher selecionando o módulo amplificador de fonte, o módulo ARSignalProcessing, e módulo StimulusPresentation. Neste exemplo, estamos usando o módulo gUSBampSource, que controla o amplificador g.USBamp.
    4. Adicionar os arquivos de parâmetro para o seu assunto, o amplificador, e as tarefas de triagem motor. Estes devem ser configurados antes do tempo, de modo que eles podem simplesmente ser carregado, ea experiência pode começar.
    5. Uma vez que os arquivos de parâmetro foi adicionado à lista de arquivos em BCI2000Launcher, pressione o botão Iniciar. Se tudo funcionou corretamente, BCI2000 deve começar, um traço dos dados EEG deve aparecer, e monitorar o sujeito deve estar em branco antes do início do experimento.
    6. Durante a sessão, a tela será ou em branco, ou exibir uma instrução, como "Mão Direita", "Left Hand", "Both Hands", ou A instrução será exibido na tela por 3s "ambos os pés."; Durante Neste momento, o assunto deve continuamente imaginar o movimento. Os movimentos da mão deve estar abrindo e fechando as mãos (por exemplo, como apertar uma bola de tênis), eo movimento do pé deve estar movendo o pé e para trás (por exemplo, como pressionar em um pedal de gás com ambos os pés). Quando a tela estiver em branco, o corpo deve ser completamente relaxado.
    7. Durante uma corrida, cada parte do corpo é repetido 20 vezes. Idealmente, deveria haver 100 pontos de dados, o que significa que deve haver um total de 5 é executado. Com várias sessões, corre menos são necessárias, uma vez que o sujeito é capaz de executar a tarefa imaginado melhor.
  3. Analisando as características EEG
    1. , A fim de determinar quais as características do EEG sujeito é capaz de modular voluntariamente, a fim de controlar o BCI, os dados de calibração é analisada offline usando a ferramenta de análise BCI2000 Offline, incluído com BCI2000. Esta ferramenta converte os dados coletados em freqüência de domínio femaquetes, que apresenta as freqüências e locais que mudou durante os movimentos diferentes, e são correlacionados com o máximo de tarefas. Esses recursos podem ser usados ​​em um experimento BCI.
    2. Para determinar quais recursos devem ser utilizados, inicie a ferramenta de análise BCI2000 Offline. BCI2000 inclui um tutorial extenso para utilizar a ferramenta de análise, que deve ser consultado para mais informações.
    3. Determinar quais as características EEG estão fortemente correlacionadas com cada movimento, encontrando o r-quadrado grandes valores nas parcelas produzido a partir da ferramenta de análise. Os canais e caixas de freqüência com o maior r-squared valores (por exemplo, maior do que 0,2) pode, então, ser selecionado como um componente de sinal de controle para uma determinada direção. Por exemplo, os recursos que a mudança para a condição mão direita deve ser configurado para mover o cursor para o lado direito da tela.
    4. Também é importante lembrar que o Mu / ritmos Beta diminuição da amplitude com um movimento associado. Assim, a fim de mover o cursor para a direita, o positivo direção x, este recurso deve ter um peso negativo associado a ele.
    5. Os canais e freqüências escolhido deve ser consistente com propriedades conhecidas de ritmos cortical sensório-motor. Isto é, mudanças significativas correspondente com o movimento da mão direita imaginado deve ser visto sobre o contralateral (esquerdo) do córtex motor, perto de C3 e CP3 e centrado perto 12/08 Hz e / ou 18-28 Hz. Da mesma forma, os movimentos da mão esquerda deve resultar em mudanças ao longo do córtex motor direito no C4 e CP4 eletrodos, e os movimentos do pé deve aparecer mais de Cz e CPZ. Se esses locais e os valores são diferentes, então é provável que alguns outros ruídos ou efeito aleatório foi medido, e não deve ser configurado como um recurso de controle.
    6. Para cada condição, os quatro maiores r-squared valores devem ser escolhidos em termos de número de canal e número bin. As freqüências são dispostas em duas caixas Hz, portanto, um recurso com uma alta r-squared 10-12 Hz iria aparecer em bin 6. Com estes valores em mãos, o sistema pode ser configurado para a tarefa de controle do cursor.
  4. Configuração da Sessão online Comentarios
    1. Configure a sessão de movimento do cursor no Inicializador BCI2000.
    2. Antes de iniciar o experimento, vários parâmetros precisam ser configurados. Primeiro, o filtro espacial deve ser configurado com uma referência comum da média. Para fazer isso, pressione configuração na operadora BCI2000 para abrir a lista de configurações e pressione o guia Filtering.
    3. Ir para SpatialFiltering, e altere a caixa drop-down SpatialFilterType para que ela diz "Referência Common-médio (CAR)."
    4. Sob SpatialFilter saída RCA, lista os nomes de canal ou números selecionados na sessão de calibração. Por exemplo, você pode digitar "CP3 C3 C4 CP4 Cz CPZ" (sem as aspas), e BCI2000 saberá quais os canais de usar (desde que os rótulos de canal são listadas sob o "Nomes Channel" campo na guia Source).
    5. Em seguida, a matriz de classificação deve ser configurado para usar os recursos selecionados. Sob a guia de filtragem, ir para o parâmetro de classificação e Matrix pressione Editar.
    6. O número de colunas deve ser ajustado para 4, e o número de linhas deve ser igual ao número total de recursos selecionados. Cada linha da matriz corresponde a uma característica individual.
    7. A primeira coluna deve conter todos os nomes de canal a ser utilizado, por exemplo, C3, C4, etc A segunda coluna contém as caixas de selecção para controlo. É possível inserir o número de uma caixa ou freqüência específica; entrar "6" ou "11Hz" irá selecionar o bin mesma, desde que o parâmetro BinWidth é "2 Hz" na aba Fonte. A terceira coluna é o canal de saída, um valor de "1" corresponde ao movimento horizontal, e "2" corresponde ao movimento vertical. O C3 canais, CP3, C4, e CP4 deve ser definido como 1 para uma tarefa de controle do cursor horizontal; C3, CP3, C4, CP4, Cz e CPZ deve ser definido como 2 para uma tarefa verticais de controle do cursor. Finalmente, a quarta coluna tem o peso recurso, e deve corresponder ao sentido oposto pretendido, por exemplo, C3 e CP3 deve ser ponderada -1 para mover o cursor para a direita, e C4 e CP4 deve ser ponderada uma para mover para a esquerda. Para mover o cursor para baixo, Cz e CPZ deve ser ponderada uma, e para mover o cursor para cima, C3 e C4 deve ser ponderada -1.
  5. Tarefa movimento do cursor
    1. Agora que o sistema está configurado com as configurações corretas, é hora de iniciar a tarefa experimental.
    2. O sistema é configurado para que um dos quatro alvos aparecerá durante um julgamento. Objetivo do sujeito é mover o cursor para o alvo correto usando movimentos imaginados correspondente à direção desejada de movimento (por exemplo, mão-direita para mover para a direita, os pés para mover para baixo, etc).
    3. Para os primeiros testes, o cursor é restrito ao eixo do alvo. Ou seja, se o alvo é a parte superior ou inferior, ésó é possível para mover o cursor para cima ou para baixo, e se é à esquerda ou à direita da tela, o cursor só pode ser movido para a esquerda ou direita.
    4. Quando a execução é iniciado, a letra "T" aparece na tela por 2 segundos. Em seguida, um dos alvos aparece por 1 segundo.
    5. Após este período de 1 segundo, o cursor aparece no meio da tela. O sujeito usa os movimentos apropriados imaginado para dirigir o cursor para o alvo. Se o sujeito atinge o alvo, ele muda de cor. Caso contrário, o sujeito tem 5 segundos para atingir o alvo antes da sessão vezes-out e é contado como uma falta.
    6. Após o julgamento, há um intervalo de duas inter-segundo julgamento durante o qual o sujeito pode relaxar, piscar, engolir, ou re-ajustar posições. Durante os ensaios, o movimento deve ser mantida a um mínimo absoluto para reduzir artefatos de movimento ou artefatos musculares. É também benéfico para sentar em uma sala mal iluminada em uma cadeira confortável.
    7. Após 20 provas, BCI2000 entra em um estado suspenso. Durante este tempo, pode ser necessário voltar a ajustar algumas das configurações, se o sujeito é incapaz de mover o cursor.
    8. Se depois de quatro corridas o assunto ainda é incapaz de volitivamente mover o cursor, pode ser necessário re-analisar os dados coletados na ferramenta de Análise BCI2000 Offline. Selecione os novos canais e freqüências com base nas parcelas novo recurso. Pode levar várias corridas ou sessões possivelmente vários diante de um assunto pode se tornar proficientes na tarefa.

Parte 6: Resultados Representante:

  1. Figuras 1 e 2 mostram os valores de r-squared e topografia do couro cabeludo para o procedimento de calibração, indicando quais os canais e caixas de freqüência deve ser selecionado para controle de cursor.
  2. Um sujeito treinado deve ser capaz de rapidamente mover o cursor para o alvo mostrado dentro de 1 ou 2 segundos.

Fig. 1

Figura 1 A) e B) Topografia das mudanças espectrais na banda 10-12 Hz durante os movimentos reais e imaginários com a mão direita. C) O espectro de energia no C3 durante o repouso (tracejada) e movimento (sólido). D) O r-quadrado do poder durante o movimento em relação ao resto.

Fig. 2

Figura 2 O r-quadrado em todos os canais para o movimento da mão direita imaginado. O eixo x é a freqüência em duas caixas Hz 0-70 Hz. O eixo y é o número do canal. O mais alto r-squared valores são encontrados nos canais 9, 10, 17, 18 e 19, que cobrem a área mão contralateral do córtex motor.

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Discussion

  1. É vital que as impedâncias eletrodo são baixos, mas que o gel não foi muito utilizado para reduzir a impedância. Um único canal ruim pode afetar todos os outros através da referência comum da média. Se a impedância não pode ser reduzida depois de várias tentativas, recomenda-se que um eletrodo de rápida inserção ser usado, que pode ser simplesmente inserido no eletrodo ruim pelo buraco que a agulha é colocada através de injetar o gel, e gravado no local.
  2. Durante a primeira sessão, o sujeito pode ter dificuldade em imaginar os movimentos necessários. Neste caso, pode ser útil ter-los a fazer os movimentos reais primeiro, e realizar a análise off-line os dados de movimento real. Configure a sessão de movimento do cursor como antes com os dados de movimento real, e ter o assunto use os movimentos reais para tentar mover o cursor. Depois de algumas corridas, tê-los gradualmente parar de fazer o movimento real, até que pararam completamente. Depois de várias sessões, a maioria dos usuários parar de usar as imagens do motor por completo, e ao invés de apenas "passar" o cursor.

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Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Programa de Formação Clínica Neuroengenharia (1 DK070079 T90-01)
Wallace H Coulter Foundation
NIH Prêmio Ciência Institucional Clínica e Translacional
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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