Utiliser un EEG-Based Interface cerveau-ordinateur du mouvement de curseur virtuel avec BCI2000

Biology

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Summary

Dans cette vidéo, nous démontrons les étapes nécessaires à l'exécution d'une expérience d'interface cerveau-ordinateur, y compris la mise en place le bouchon de l'EEG, l'étalonnage du système, et la formation à l'utilisateur de déplacer un curseur en deux dimensions en utilisant des mouvements imaginés.

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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

Une interface cerveau-ordinateur (BCI) fonctions en traduisant un signal neural, telles que l'électroencéphalogramme (EEG), en un signal qui peut être utilisé pour contrôler un ordinateur ou autre appareil. L'amplitude des signaux EEG dans les bacs de fréquences sélectionnées sont mesurées et traduites en un dispositif de commande, dans ce cas, la vitesse horizontale et verticale d'un curseur de l'ordinateur. Tout d'abord, les électrodes EEG sont appliqués sur le cuir chevelu à l'utilisateur s en utilisant un bouchon d'enregistrer l'activité cérébrale. Ensuite, une procédure d'étalonnage est utilisé pour trouver les électrodes de l'EEG et des caractéristiques que l'utilisateur va apprendre à moduler volontairement d'utiliser le BCI. Chez l'homme, la puissance dans la mu (8-12 Hz) et bêta (18-28 Hz) des bandes de fréquence baisse d'amplitude au cours d'un mouvement réel ou imaginaire. Ces changements peuvent être détectés dans l'EEG en temps réel, et utilisé pour contrôler une BCI ([1], [2]). Par conséquent, au cours d'un test de dépistage, l'utilisateur est invité à faire plusieurs différents mouvements imaginés avec leurs mains et les pieds afin de déterminer les caractéristiques uniques d'EEG qui changent avec les mouvements imaginés. Les résultats de cet étalonnage indiquera les meilleurs canaux à utiliser, qui sont configurés de telle sorte que les changements d'amplitude dans les bandes de fréquences mu et beta déplacer le curseur horizontalement ou verticalement. Dans cette expérience, l'usage général du système BCI BCI2000 est utilisé pour contrôler l'acquisition du signal, traitement du signal, et la rétroaction à l'utilisateur [3].

Protocol

Procédure expérimentale

  1. Reliant les électrodes EEG
    1. Les électrodes seront fixés au cuir chevelu à l'aide d'un plafond d'EEG, ce qui simplifie le processus de s'assurer que les électrodes sont au bon endroit sur le cuir chevelu, comme spécifié par le système 10-20 internationale.
    2. Pour placer le bouchon, marquer le sommet sur le cuir chevelu du sujet à l'aide d'un stylo feutre ou autre méthode similaire. Pour ce faire, commencer par localiser le nasion et inion sur le sujet. En utilisant un ruban à mesurer, calculer la distance entre ces deux endroits. La mi-chemin entre les deux points, soit 50% de la distance, est le sommet. Faire une marque à ce point pour référence ultérieure. Autre 10-20 points peuvent être situés de façon similaire.
    3. Trouvez l'électrode Cz sur le bouchon, et le positionner sur le vertex. Garder fixes Cz, glisser le capuchon sur la tête. Assurez-vous que les électrodes Fz, Cz, Pz et sont sur la ligne médiane du cuir chevelu, et que les électrodes O1-O2 sont horizontales et le niveau d'Oz, et que FP1-Fp2 sont au niveau Fpz.
    4. Maintenant fixer l'électrode de référence, qui généralement se clipse sur un lobe d'oreille.
    5. Ensuite, les électrodes sont remplies avec un gel conducteur de telle sorte que les électrodes faire un contact de faible impédance avec le cuir chevelu. Pour ce faire, une petite seringue avec une aiguille atraumatique est rempli avec le gel. En outre, il peut être utile de voir les traces EEG sur l'écran d'ordinateur pendant que le gel est appliqué pour déterminer si la connexion est bonne.
    6. Insérez l'aiguille dans une électrode, et doucement le cuir chevelu abraser avec l'aiguille pour enlever toute la peau morte. Remplir l'électrode avec une petite quantité de gel, en faisant attention à ne pas trop remplir. Commencez avec l'électrode de référence oreille, et répétez l'opération pour toutes les électrodes, y compris le sol.
    7. Vérifiez les impédances de tous les canaux, qui devraient tous être inférieure à 5 kQ. Cette méthode va varier en fonction du système d'amplificateur particulier utilisé, mais il devrait être possible de vérifier l'impédance soit par matériel ou par le biais BCI2000.
    8. Si une électrode est de plus de 5 kQ, insérer l'aiguille de nouveau, et abraser le cuir chevelu un peu plus. Il ne devrait pas être nécessaire d'injecter plus de gel, sauf si il n'ya pas de baisse de l'impédance.
  2. Obtenir la fonction d'étalonnage EEG
    1. Au début d'une session, en particulier la première fois un sujet est testé, il est utile pour déterminer les caractéristiques EEG qui peut être utilisé pour contrôler une BCI. C'est parce que bien que les propriétés de base de la Mu et Bêta rythmes EEG sont les mêmes pour toutes les personnes, ces caractéristiques varient d'une personne à l'autre, et doivent donc être calibré avant tout d'autres expériences.
    2. Lors de la séance de calibration, le sujet est chargé d'imaginer les différents mouvements impliquant leurs mains ou les pieds, en réponse à des stimuli visuels présentés sur le moniteur. Pour commencer, le système informatique doit être configuré pour un double-mode moniteur, de sorte que l'affichage du chercheur contient le logiciel de contrôle, et le second moniteur affiche la sortie expérimentale.
    3. Démarrer BCI2000 du BCI2000Launcher en sélectionnant votre module source amplificateur, le module ARSignalProcessing, et le module StimulusPresentation. Dans cet exemple, nous utilisons le module gUSBampSource, qui contrôle l'amplificateur g.USBamp.
    4. Ajoutez les fichiers de paramètres pour votre sujet, l'amplificateur et les tâches de dépistage du moteur. Celles-ci doivent être configurés à l'avance, de sorte qu'ils peuvent être simplement chargé, et l'expérience peut commencer.
    5. Une fois les fichiers de paramètres ont été ajoutés à la liste de fichiers dans BCI2000Launcher, appuyez sur le bouton Lancer. Si tout marche correctement, BCI2000 devrait commencer, une trace des données EEG devrait apparaître, et surveiller le sujet doit être vide avant le début de l'expérience.
    6. Pendant la session, l'écran sera soit vide, ou l'affichage d'une instruction, comme «bras droit», «main gauche», «deux mains», ou L'instruction va apparaître sur l'écran pendant 3s "les deux pieds."; Cours cette fois, le sujet doit constamment imaginer le mouvement. Les mouvements de la main doit être l'ouverture et la fermeture de la main (par exemple, comme presser une balle de tennis), et le mouvement du pied doit être bouger les pieds avant et en arrière (par exemple, comme en appuyant sur une pédale de gaz avec les deux pieds). Lorsque l'écran est vide, le corps doit être complètement détendu.
    7. Pendant une course, chaque partie du corps est répété 20 fois. Idéalement, il devrait y avoir 100 points de données, ce qui signifie qu'il devrait y avoir un total de 5 pistes. Avec les sessions multiples, moins pistes sont nécessaires, car le sujet est capable d'accomplir la tâche imaginé mieux.
  3. Analyse des caractéristiques EEG
    1. Afin de déterminer quelles fonctionnalités EEG le sujet est capable de moduler volontairement afin de contrôler la BCI, les données d'étalonnage sont analysés hors ligne en utilisant l'outil d'analyse BCI2000 Hors, inclus avec BCI2000. Cet outil convertit les données recueillies dans le domaine fréquentiel FeAturès, qui montre les fréquences et les lieux qui ont changé au cours des différents mouvements, et sont au maximum en corrélation avec les tâches. Ces fonctions peuvent ensuite être utilisés dans une expérience de BCI.
    2. Pour déterminer quelles fonctionnalités doivent être utilisés, démarrez l'outil BCI2000 analyse hors ligne. BCI2000 inclut un tutoriel complet pour l'utilisation de l'outil d'analyse, qui devraient être consultés pour plus d'informations.
    3. Déterminer quelles fonctionnalités EEG sont fortement corrélés avec chaque mouvement en trouvant le r au carré de grandes valeurs dans les parcelles produite à partir de l'outil d'analyse. Les canaux et les bacs de fréquence avec le plus grand r-squared valeurs (par exemple, supérieure à 0,2) peut alors être sélectionné en tant que composante du signal de contrôle pour une direction particulière. Par exemple, les caractéristiques que le changement de la condition de droite doit être mis en place pour déplacer le curseur vers la droite de l'écran.
    4. Il est également important de se rappeler que le Mu / rythmes bêta diminution de l'amplitude d'un mouvement associé. Ainsi, afin de déplacer le curseur vers la droite, la direction des x positifs, cette fonctionnalité doit avoir un poids négatif qui lui est associé.
    5. Les canaux et les fréquences choisies doivent être compatibles avec les propriétés connues des rythmes sensorimoteurs corticaux. C'est, d'importants changements correspondants aux mouvements de la main droite doit être imaginé vu au cours des controlatéral cortex (à gauche) du moteur, près de C3 et CP3 et centrée près de 8-12 Hz et / ou 18-28 Hz. De même, les mouvements de la main gauche devrait entraîner des changements plus à droite du cortex moteur sur la C4 et CP4 électrodes, et les mouvements du pied devrait apparaître plus Cz et CPZ. Si ces emplacements et les valeurs sont différentes, alors il est probable que certains bruits ou effets aléatoires a été mesurée, et ne doit pas être configuré comme une fonction de contrôle.
    6. Pour chaque condition, les quatre plus grandes valeurs de r-squared devrait être choisi en fonction du numéro de canal et le numéro de bac. Les fréquences sont disposés en deux bacs Hz, donc une fonction avec une grande r-squared 10-12 Hz apparaîtrait dans bin 6. Avec ces valeurs dans la main, le système peut être configuré pour la tâche de contrôle du curseur.
  4. En ligne de configuration séance de rétroaction
    1. Configurer la session de déplacement du curseur dans le Lanceur BCI2000.
    2. Avant de commencer l'expérience, plusieurs paramètres doivent être configurés. Premièrement, le filtre spatial doit être configuré avec une référence commune à la moyenne. Pour ce faire, appuyez sur Config dans l'opérateur BCI2000 pour faire apparaître la liste des paramètres, et appuyez sur l'onglet Filtrage.
    3. Aller à la SpatialFiltering, et changer le SpatialFilterType déroulante afin qu'elle dit "commune à la moyenne de référence (CAR)."
    4. Sous Sortie VOITURE SpatialFilter, la liste des noms de canaux ou les numéros sélectionnés lors de la séance de calibration. Par exemple, vous pouvez taper "C3 C4 CP3 CP4 Cz CPZ" (sans les guillemets), et BCI2000 saurez quels canaux à utiliser (à condition que les étiquettes de canaux sont énumérés sous la rubrique "Noms Channel" sur le terrain dans l'onglet Source).
    5. Ensuite, la matrice de classification doit être configuré pour utiliser les fonctions sélectionnées. Sous l'onglet Filtrage, passer au paramètre classificateur et appuyez sur Modifier Matrix.
    6. Le nombre de colonnes doit être fixé à 4, et le nombre de lignes doit être égal au nombre total de fonctions sélectionnées. Chaque rangée de matrice correspond à une caractéristique individuelle.
    7. La première colonne doit contenir tous les noms de canal utilisé, par exemple, C3, C4, etc La deuxième colonne contient les bacs sélectionnés pour un contrôle. Il est possible entrer un numéro de casier ou de fréquence spécifique; entrer «6» ou «11Hz» sélectionnera le même bac, à condition que le paramètre BinWidth est "2 Hz" sous l'onglet Source. La troisième colonne est le canal de sortie; une valeur de "1" correspond à un mouvement horizontal, et «2» correspond à un mouvement vertical. Les canaux C3, CP3, C4 et CP4 doit être mis à 1 pour une tâche de contrôle du curseur horizontal; C3, CP3, C4, CP4, Cz et CPZ devrait être fixé à 2 pour une tâche de contrôle du curseur vertical. Enfin, la quatrième colonne contient le poids fonctionnalité, et doit correspondre à la direction opposée destinée, par exemple, C3 et CP3 doivent être pondérées -1 pour déplacer le curseur vers la droite, et C4 et CP4 doit être pondérée de 1 à déplacer vers la gauche. Pour déplacer le curseur vers le bas, Cz et CPZ doivent être pondérées 1, et pour déplacer le curseur vers le haut, C3 et C4 doit être pondéré -1.
  5. Tâche du mouvement du curseur
    1. Maintenant que le système est configuré avec les paramètres corrects, il est temps de commencer la tâche expérimentale.
    2. Le système est configuré de telle sorte que l'une des quatre cibles apparaîtra pendant un procès. L'objectif du sujet est de déplacer le curseur vers la bonne cible en utilisant des mouvements imaginés correspondant à la direction souhaitée de mouvement (par exemple, de droite pour aller à droite, les pieds se déplacer vers le bas, etc.)
    3. Pour les premiers essais, le curseur est contraint à l'axe de la cible. Autrement dit, si la cible est en haut ou en bas, il estseulement possible de déplacer le curseur vers le haut ou vers le bas, et si elle est à gauche ou à droite de l'écran, le curseur ne peut être déplacé vers la gauche ou la droite.
    4. Lorsque la course commence, la lettre "T" apparaît sur l'écran pendant 2 secondes. Ensuite, l'une des cibles apparaît pendant 1 seconde.
    5. Après cette période de 1 seconde, le curseur apparaît dans le milieu de l'écran. Le sujet utilise les mouvements appropriés imaginé pour diriger le curseur sur la cible. Si le sujet touche la cible, elle change de couleur. Sinon, le sujet a 5 secondes pour atteindre la cible avant la séance fois-out et est compté comme un échec.
    6. Après le procès, il ya un 2 secondes entre les essais intervalle pendant lequel le sujet peut se détendre, clin, d'avaler, ou autrement réajuster les positions. Pendant les essais, le mouvement devrait être maintenu à un minimum absolu pour réduire les artefacts de mouvement ou d'artefacts musculaires. Il est également bénéfique pour s'asseoir dans une pièce faiblement éclairée dans une chaise confortable.
    7. Après 20 essais, BCI2000 entre dans un état suspendu. Pendant ce temps, il peut être nécessaire de réajuster certains paramètres si le sujet est incapable de bouger le curseur.
    8. Si après 4 passages le sujet est toujours incapable de volitionally déplacer le curseur, il peut être nécessaire de ré-analyser les données recueillies dans l'outil BCI2000 analyse hors ligne. Sélectionnez les nouveaux canaux et des fréquences sur la base des parcelles nouvelle fonctionnalité. Cela peut prendre plusieurs passages ou séances éventuellement plusieurs fois avant qu'un sujet peut devenir compétent à la tâche.

Partie 6: Résultats du représentant:

  1. Les figures 1 et 2 montrent les valeurs r-squared et la topographie du cuir chevelu pour la procédure d'étalonnage, en indiquant les voies et les bacs de fréquence doit être sélectionné pour le contrôle du curseur.
  2. Un sujet formés doivent être capables de déplacer rapidement le curseur vers la cible montré dans 1 ou 2 secondes.

Fig 1

Figure 1 A) et B) Topographie de variations spectrales dans la bande 10-12 Hz pendant les mouvements réels et imaginés avec la main droite. C) Le spectre de puissance sur C3 pendant le repos (en pointillés) et le mouvement (solide). D) Le R-carré de la puissance pendant le mouvement par rapport au reste.

Fig 2

Figure 2 Le r-squared travers tous les canaux d'imaginer le mouvement de droite. L'axe des x est la fréquence en deux bacs Hz de 0 à 70 Hz. L'axe des y est le numéro du canal. La plus haute r-squared valeurs sont disponibles sur les canaux 9, 10, 17, 18 et 19, qui couvrent la zone de la main controlatérale du cortex moteur.

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Discussion

  1. Il est vital que les impédances d'électrodes sont faibles, mais que trop de gel n'a pas été utilisé pour abaisser l'impédance. Un seul canal mauvaise peut affecter tous les autres par la référence commune à la moyenne. Si l'impédance ne peut être réduit après plusieurs essais, il est recommandé une électrode rapide insérez être utilisé, qui peut simplement être insérée dans l'électrode mauvaises par le trou que l'aiguille est placée par le biais d'injection du gel, et scellés en place.
  2. Pendant la première session, le sujet peut avoir de la difficulté à imaginer les mouvements requis. Dans ce cas, il peut être utile d'avoir à faire les mouvements réels d'abord, et effectuer l'analyse des données offline mouvement réel. Configurer la session de déplacement du curseur comme avant avec les données sur les mouvements réels, et ont fait l'objet l'utilisation des mouvements réels de tenter de déplacer le curseur. Après quelques descentes, les ont progressivement cesser de faire le mouvement réel, jusqu'à ce qu'ils aient complètement cessé. Après plusieurs séances, la plupart des utilisateurs cesser d'utiliser l'imagerie motrice en tout, et au lieu simplement "passer" le curseur.

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Acknowledgements

NIH NIBIB RO1: 1R01EB009103-01
Programme de formation clinique neuroingénierie (1 T90 DK070079-01)
Wallace H Coulter Fondation
NIH Prix institutionnel des sciences clinique et translationnelle
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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