باستخدام EEG المستندة إلى الدماغ الحاسوب واجهة لحركة المؤشر الظاهري مع BCI2000

تعمل واجهة الدماغ والحاسوب (BCI) عن طريق ترجمة إشارة عصبية، مثل تخطيط كهربائية الدماغ (EEG)، إلى إشارة يمكن استخدامها للتحكم في حاسوب أو جهاز آخر. تبدأ العملية بتثبيت غطاء أقطاب تخطيط كهربائية الدماغ على فروة رأس الخاضع للتجربة لتسجيل نشاط الدماغ. بعد ذلك، يُطلب من الشخص تخيل عدة حركات إرادية بيديه وقدميه، وفي هذه الأثناء يتم إجراء عملية معايرة تقوم بتحليل خصائص تخطيط كهربائية الدماغ الناتجة عن إجراء المعايرة هذا.

يمكن استخدام قيم R-squared وتصوير تضاريس فروة الرأس لتحديد الأقطاب الكهربائية وصناديق التردد التي ستُستخدم لتوجيه مؤشر على شاشة الكمبيوتر. وبذلك سيتمكن الأشخاص الخاضعون للتجربة من تحريك المؤشر بسرعة نحو المناطق المستهدفة بمجرد التفكير في ذلك. مرحباً، أنا آدم ويلسون، وأعمل في مختبر جاستن ويليامز في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة ويسكونسين-ماديسون.

سأشارككم اليوم إجراء تسجيل نشاط الدماغ المعروف باسم تخطيط كهربائية الدماغ أو EEG للتحكم في تطبيق واجهة الدماغ والحاسوب. لذا، فلنبدأ. تبدأ هذا البروتوكول بتوصيل أقطاب تخطيط كهربائية الدماغ بفروة رأس الشخص الخاضع للتجربة من خلال غطاء EEG، والذي يضع الأقطاب وفقاً للنظام الدولي 10 20.

لتحديد الموضع الصحيح للقبعة على فروة رأس الخاضع للتجربة، استخدم قلم لباد لتعليم منطقة النازيون (nasion)، وهي نقطة تقاطع العظام الأنفية الجبهية، ومنطقة الإنيون (inion)، وهي أكبر نتوء في العظم القذالي. حدد نقطة المنتصف بين النازيون والإنيون وقم بتعليمها. يُطلق على هذا الموضع اسم القمة (vertex).

حدد موقع القطب الكهربائي CZ على القبعة وضعه عند قمة الرأس مع تثبيت CZ. قم بتمرير القبعة على الرأس. تأكد من أن الأقطاب الكهربائية FC وCZ وPZ تقع على الخط الناصف لفروة الرأس، وأن الأقطاب من O1 إلى O2 أفقية وبمحاذاة OZ، وأن الأقطاب من FP1 إلى FP2 بمحاذاة FPZ.

قم الآن بتثبيت القطب المرجعي، والذي يتم تثبيته عادةً بمشبك على شحمة الأذن. بعد وضع الأقطاب الكهربائية بشكل صحيح، يجب التأكد من إقامة اتصال كهربائي سليم بفروة الرأس. وللقيام بذلك، يتم أولاً سحب الهلام الموصل في حقنة صغيرة ذات إبرة ذات طرف غير مدبب.

بعد ذلك، أدخل الإبرة في القطب الكهربائي وقم بتقشير فروة الرأس برفق باستخدام الإبرة لإزالة أي جلد ميت. ابدأ بقطب المرجع عند الأذن وكرر العملية لجميع الأقطاب الكهربائية، بما في ذلك القطب الأرضي، ثم املأ القطب بكمية صغيرة من الجل. احذر من ملئه بشكل زائد.

تحقق من ممانعات جميع القنوات، والتي يجب أن تكون جميعها أقل من 5 kΩ. ستختلف الطريقة المتبعة بناءً على نظام المضخم المستخدم. وللقيام بذلك باستخدام مضخم GUSB في برنامج BCI 2000، قم بتغيير معلمة وضع الاستحواذ (acquisition mode) إلى "الممانعة" (impedance)، ثم اضغط على "تعيين التكوين" (set config) لمعرفة قيم الممانعة لجميع القنوات.

إذا كانت ممانعة القطب الكهربائي أكبر من 5 kΩ، فأعد إدخال الإبرة وقم بكشط فروة الرأس بشكل أكبر لتعزيز الاتصال، ثم تحقق من الممانعة مرة أخرى. الآن أصبحت غطاء EEG جاهزاً للتسجيل.

للبدء، قم بتهيئة نظام الكمبيوتر لوضع الشاشة المزدوجة. ابدأ برنامج BCI 2000 من خلال مشغل BCI 2000 عن طريق اختيار وحدة مصدر المضخم، ووحدة معالجة الإشارات الوهمية، ووحدة تقديم المثيرات. أضف ملفات المعلمات الخاصة بالخاضع للاختبار، والمضخم، ومهام الفحص الحركي، والتي يجب تهيئتها مسبقاً؛ وأثناء الجلسة، تكون الشاشة إما فارغة أو تعرض تعليماً مثل اليد اليمنى، أو اليد اليسرى، أو كلتا اليدين، أو كلتا القدمين لمدة ثلاث ثوانٍ في كل مرة.

خلال كل حركة تستغرق ثلاث ثوانٍ، يجب على الخاضع للتجربة تخيل الحركة المحددة بشكل مستمر. يجب أن تكون حركات اليد عبارة عن فتح وإغلاق اليدين كما لو كان يضغط على كرة تنس، ويجب أن تكون حركات القدم عبارة عن تحريك القدمين إلى الأمام والخلف كما لو كان يضغط على دواسة الوقود بكلتا القدمين. عندما تكون الشاشة فارغة، يجب على الخاضع للتجربة إرخاء الجسم تماماً أثناء التشغيل.

كرر كل جزء من الجسم 20 مرة وقم بإجراء خمس جولات للحصول على مائة نقطة بيانات إجمالاً. يمكنك الآن تحليل البيانات لتحديد سمات تخطيط كهربائية الدماغ (EEG) الفريدة لكل حركة متخيلة. بعد الانتهاء من جمع بيانات الفحص، حان الوقت لاستخدام أداة التحليل غير المتصل بالإنترنت BCI 2000 لتحديد السمات في إشارة تخطيط كهربائية الدماغ التي يستطيع المستخدمون تعديلها طواعية.

تقوم أداة التحليل غير المتصلة بالشبكة بتحويل إشارة EEG إلى نطاق التردد، حيث يمكنك تحديد القنوات وخصائص التردد في الإشارة التي كانت الأكثر ارتباطاً بالمهام. لبدء التحليل، قم بتشغيل برنامج math lab وانتقل إلى مجلد تحليل BCI 2000 غير المتصل بالشبكة ثم ابدأ البرنامج. استخدم البرنامج لتحديد خصائص EEG التي ترتبط ارتباطاً قوياً بكل حركة.

لكل حركة، قم برسم البيانات بيانياً، ثم حدد المخططات التي تمتلك أكبر قيم R-squared أو أقوى ارتباط. يمكنك بعد ذلك استخدام القنوات ونطاقات التردد ذات قيم R-squared الأعلى كإشارات تحكم لتحريك المؤشر في اتجاه معين. على سبيل المثال، قم بتحديد السمات التي تتغير في حالة اليد اليمنى لتحريك المؤشر إلى الجانب الأيمن من الشاشة.

عند تحليل بياناتك، تأكد من أن القنوات والترددات المختارة تتوافق مع الخصائص المعروفة للإيقاعات الحسية الحركية القشرية. على سبيل المثال، يجب أن تلاحظ تغيرات معنوية تقابل حركة اليد اليمنى المتخيلة فوق القشرة الحركية المقابلة بالقرب من C3 و CP3، وتتركز بالقرب من 8 إلى 12 hertz و/أو 18 إلى 28 hertz على التوالي. إذا كانت هذه المواقع والقيم مختلفة، فمن المحتمل أنك قمت بقياس ضجيج أو تأثير عشوائي ما، وبالتالي لا يجب تهيئة هذا الإيقاع المحدد كميزة تحكم.

لكل حالة، اختر رقم القناة وصناديق التردد التي تمتلك أكبر أربع قيم لـ R-squared. باستخدام هذه القيم، يمكنك تهيئة النظام لمهمة التحكم في المؤشر. والآن بعد أن حددت الميزات المرتبطة بكل حركة تخيلية، حان الوقت لإعداد نظام BCI لاستخدام هذه الميزات في التحكم في حركة المؤشر.

أولاً، سنقوم بتكوين جلسة تحريك المؤشر في برنامج تشغيل BCI 2000 من خلال اختيار وحدة مصدر المضخم، ووحدة معالجة إشارات AR، ووحدة المهام. أولاً، قم بتكوين المرشح المكاني باستخدام مرجع المتوسط الشائع. وللقيام بذلك، اضغط على "config" في مشغل BCI 2000 لإظهار قائمة الإعدادات ثم اضغط على علامة تبويب الترشيح (filtering).

انتقل إلى التصفية المكانية (spatial filtering) وقم بتغيير القائمة المنسدلة لنوع المصفاة المكانية إلى المرجع المتوسط الشائع (common average reference) أو CAR تحت التصفية المكانية، مخرجات CAR. أدرج أسماء أو أرقام القنوات التي اخترتها في جلسة المعايرة. بعد ذلك، قم بتكوين مصفوفة التصنيف لاستخدام الميزات التي حددتها في علامة تبويب التصفية.

انتقل إلى معامل المصنف واضغط على تحرير المصفوفة. حدد عدد الأعمدة بأربعة، وعدد الصفوف ليكون مساوياً لإجمالي عدد السمات المختارة. يمثل كل صف في المصفوفة سمة فردية.

أدخل جميع أسماء القنوات في العمود الأول. وفي العمود الثاني، أدخل صناديق التردد التي اخترتها للتحكم في كل حركة. وفي العمود الثالث، قناة المخرج، أدخل حركة المؤشر التي تتحكم فيها هذه السمة.

تتوافق القيمة واحد مع الحركة الأفقية، والقيمة اثنان مع الحركة الرأسية. يجب ضبط القنوات C3 وCP three وC four وCP four على القيمة واحد للتحكم في المؤشر أفقيًا. كما يجب ضبط المهام C3 وCP three وC four وCP four وCZ على القيمة اثنان لمهمة التحكم في المؤشر رأسيًا.

أخيراً، أدخل في العمود الرابع وزن السمة، والذي يتوافق مع الاتجاه المقصود المعاكس. على سبيل المثال، لتحريك المؤشر إلى اليمين، يجب تعيين C3 و CP three كـ -1، ولتحريكه إلى اليسار، يجب تعيين C four و CP four كـ 1. وبالمثل، لتحريك المؤشر إلى الأسفل، يجب تعيين CZ و CPZ كـ 1، ولتحريك المؤشر إلى الأعلى، يجب تعيين C3 و C four كـ -1.

بعدما قمت بتهيئة النظام بالإعدادات الصحيحة، حان الوقت لبدء المهمة التجريبية. أجرِ التجارب في غرفة ذات إضاءة خافتة مع توفير كرسي مريح للمشارك. ويجب على المشارك تقليل الحركة إلى أدنى حد ممكن أثناء التجارب.

لتقليل الشوائب، ستكون هناك فترات راحة بين التجارب. في التجارب الأولى، يتم تقييد المؤشر بمحور الهدف؛ بمعنى أنه إذا كان الهدف في الأعلى أو الأسفل، فسيكون من الممكن فقط تحريك المؤشر للأعلى أو للأسفل، وإذا كان في يسار أو يمين الشاشة، فيمكن للمشارك تحريك المؤشر لليسار أو لليمين فقط.

يظهر أحد الأهداف لمدة ثانية واحدة، ويظهر المؤشر في منتصف الشاشة. بعد ذلك، يكون لدى الخاضع للتجربة خمس ثوانٍ لاستخدام الحركات التخيلية المناسبة لتوجيه المؤشر نحو الهدف.

إذا أصاب الخاضع للتجربة الهدف، فإنه يتغير لونه بعد مرور خمس ثوانٍ دون إصابة، وعندها تنتهي مهلة الجلسة وتُحسب كمحاولة خاطئة. بعد التجربة، توجد فترة فاصلة بين التجارب مدتها ثانيتان يمكن للخاضع للتجربة خلالها الاسترخاء، أو الرمش، أو البلع، أو إعادة ضبط وضعية الجسم بأي شكل آخر. بعد 20 تجربة، يدخل جهاز VCI 2000 في حالة تعليق. خلال هذا الوقت، قد تحتاج إلى إعادة ضبط بعض الإعدادات إذا كان الخاضع للتجربة غير قادر على تحريك المؤشر.

إذا كان الخاضع للتجربة لا يزال غير قادر على تحريك المؤشر بعد أربع جولات، فقد تحتاج إلى إعادة تحليل البيانات التي تم جمعها باستخدام أداة التحليل غير المتصلة بالإنترنت في BCI 2000. اختر القنوات والترددات الجديدة بناءً على مخططات الميزات الجديدة. قد يتطلب الأمر عدة جولات أو ربما عدة جلسات قبل أن يتمكن الخاضع للتجربة من إتقان المهمة.

توضح هذه الصور قيم R-squared وتضاريس فروة الرأس لإجراء المعايرة، مما يشير إلى القنوات ونطاقات التردد التي يجب اختيارها. بالنسبة للتحكم في المؤشر، يجب أن يكون الخاضع للاختبار المدرب قادرًا على تحريك المؤشر بسرعة إلى الهدف الموضح خلال ثانية أو ثانيتين. لقد عرضنا لكم للتو كيفية تكوين واجهة الدماغ والحاسوب لجمع تخطيطات كهربية الدماغ (EEGs) وتدريب المستخدم على التحكم في مؤشر افتراضي باستخدام نشاط دماغه.

من المهم تذكر أن تعلم كيفية استخدام هذا النظام قد يتطلب الكثير من التدريب، ولكن مع بعض الإصرار، يمكن لأي شخص تقريباً تعلم القيام بذلك. هذا كل شيء. شكراً للمشاهدة وتمنياتنا لكم بالتوفيق في تجاربكم.