使用基于脑电图的脑-机接口通过BCI2000实现虚拟光标控制

脑机接口（BCI）通过将神经信号（例如脑电图，即 EEG）转化为可用于控制计算机或其他设备的信号来实现功能。该过程首先将 EEG 电极帽连接到受试者的头皮上，以记录大脑活动。随后，要求受试者想象用手和脚进行多个自主运动，此时执行校准程序，分析由此产生的脑电图特征。

R 平方值和头皮层析图可用于确定使用哪些电极和频率区间来控制计算机屏幕上的光标。随后，受试者只需通过想象即可快速将光标移动到目标区域。大家好，我是 Adam Wilson，我在威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程系 Justin Williams 实验室工作。

今天我将分享一种用于控制脑机接口应用的脑电活动记录方法，即脑电图（electroencephalogram，EEG）。让我们开始吧。该实验的第一步是通过EEG帽将EEG电极连接至受试者的头皮，使电极按照国际10-20系统进行定位。

为了正确地将帽状电极放置在受试者的头皮上，使用记号笔标记鼻根，即额骨与鼻骨交界处，以及枕外隆凸，即枕骨最突出的部位。找到鼻根与枕外隆凸之间的中点并做标记。该位置称为头顶点。

在帽上找到CZ电极，并将其置于头顶点，保持CZ位置固定。将帽套入头部，确保FCz和PZ电极位于头皮中线上，O1至O2电极与Oz水平且呈水平线，FP1至FP2电极与FPz处于同一水平线。

现在连接参考电极，该电极通常夹在耳垂上。电极正确放置后，必须确保电极与头皮之间形成良好的电接触。为此，首先使用带有钝头针头的小型注射器吸取导电凝胶。

然后将针头插入电极，并用针头轻轻摩擦头皮以去除死皮。先从耳部参考电极开始，随后依次对所有电极（包括接地电极）进行相同操作，并向每个电极内注入少量导电凝胶。注意不要过度填充。

检查所有通道的阻抗，所有通道的阻抗均应低于五千欧姆。具体操作方法取决于所使用的放大器系统。若在 BCI 2000 中使用 GUSB 放大器进行此操作，需将采集模式参数更改为阻抗，然后按下“设置配置”以查询所有通道的阻抗值。

如果电极的阻抗超过五千欧姆，则需再次插入针头并进一步磨削头皮，以增强连接，然后重新检查阻抗。现在，脑电帽已准备就绪，可以进行记录。

首先，将计算机系统设置为双显示器模式。通过 BCI 2000 启动器启动 BCI 2000，选择相应的放大器源模块、虚拟信号处理模块和刺激呈现模块。加载为受试者准备的参数文件，包括放大器参数文件以及用于运动筛查任务的参数文件。这些参数文件应提前配置完毕。在实验过程中，屏幕将交替显示空白或指令，每次显示三秒，指令内容如“右手”、“左手”、“双手”或“双足”。

在每次持续三秒的运动过程中，受试者应持续想象指定的运动动作。手部运动应为像握压网球一样反复张开和闭合双手，脚部运动应为像用双脚来回踩踏油门踏板一样前后移动双脚。当屏幕空白时，受试者在运行过程中应使全身完全放松。

每个身体部位重复20次，共进行五轮，总计获得一百个数据点。现在可以分析数据，以确定与每种想象运动相对应的独特脑电图特征。完成筛选数据的采集后，接下来使用BCI2000离线分析工具，确定用户能够自主调节的脑电信号中的特征。

离线分析工具可将 EEG 信号转换到频域，从而确定哪些通道以及信号中的哪些频率特征与任务具有最大相关性。开始分析时，启动数学实验室程序，导航至 BCI 2000 离线分析文件夹，然后启动程序。使用该程序确定哪些 EEG 特征与每种运动高度相关。

对于每个动作，绘制数据，然后找出R平方值最大或相关性最强的图表。随后可将R平方值最大的通道和频率区间作为控制信号，用于控制光标向特定方向移动。例如，可设置在右手条件下发生变化的特征，以使光标移向屏幕右侧。

分析数据时，需确保所选通道和频率与已知的皮层感觉运动节律特性一致。例如，在想象右手运动时，应在对侧运动皮层靠近 C3 和 CP3 的区域观察到显著变化，且节律分别集中在约 8 至 12 赫兹和/或 18 至 28 赫兹。如果这些位置或数值存在明显差异，则可能测量到的是噪声或某种随机效应，不应将该特定节律配置为控制特征。

针对每种条件，选择 R 平方值最大的四个通道编号和频率区间。获得这些数值后，即可配置系统以进行光标控制任务。现在您已经确定了与每种想象动作相关的特征，接下来需要设置脑机接口（BCI）系统，利用这些特征来控制光标移动。

首先，我们将在 BCI 2000 启动器中通过选择放大器源模块、AR 信号处理模块和任务模块来配置光标运动会话。首先，使用公共平均参考配置空间滤波器。为此，在 BCI 2000 操作界面中按下“config”以调出设置列表，然后按下“filtering”选项卡。

进入空间滤波，将空间滤波器类型下拉框在空间滤波的 CAR 输出中更改为公共平均参考（common average reference）或 CAR。列出你在校准阶段所选择的通道名称或编号。接下来，在滤波选项卡下选择的特征配置分类矩阵。

转到分类器参数并点击编辑矩阵。将列数设置为四，行数设置为所选特征的总数。每行矩阵对应一个单独的特征。

在第一列中输入所有通道名称。在第二列中输入所选用于控制每个动作的频率区间。在第三列“输出通道”中输入由该特征控制的光标移动。

数值一对应水平移动，数值二对应垂直移动。应将通道 C3、CP three、C four 和 CP four 设置为一，以实现光标的水平控制。在垂直光标控制任务中，应将任务 C3、CP three、C four、CP four 和 CZ 设置为二。

最后，在第四列中输入特征权重，该权重对应相反的目标方向。例如，若要将光标向右移动，应将C3和CP3的权重设为负一；若要将光标向左移动，应将C4和CP4的权重设为正一。类似地，若要将光标向下移动，应将CZ和CPZ的权重设为正一；若要将光标向上移动，应将C3和C4的权重设为负一。

现在，您已使用正确的设置配置了系统，是时候开始实验任务了。在光线较暗的房间内进行试验，并为受试者准备一把舒适的椅子。试验过程中，受试者应尽量减少移动。

为了减少伪迹，各次试验之间将设置间歇。在最初的试验中，将光标限制在目标的轴向上。例如，当目标位于屏幕上方或下方时，光标仅可向上或向下移动；当目标位于屏幕左侧或右侧时，受试者仅可将光标向左或向右移动。

其中一个目标出现一秒钟。光标出现在屏幕中央。随后，受试者有五秒钟的时间，通过执行相应的想象运动，将光标移向目标。

如果受试者击中目标，目标会在五秒后改变颜色；若五秒内未击中，该次试验将超时并计为未命中。每次试验结束后，会有两秒的试验间间隔，期间受试者可以放松、眨眼、吞咽或进行其他姿势调整。完成20次试验后，VCI 2000将进入暂停状态。在此期间，如果受试者无法移动光标，您可能需要重新调整部分设置。

如果经过四次运行后，受试者仍然无法移动光标，则可能需要使用 BCI 2000 离线分析工具重新分析所采集的数据。根据新的特征图选择新的通道和频率。受试者可能需要经过多次运行，甚至多个训练阶段，才能熟练掌握该任务。

这些图像显示了校准过程的决定系数（R-squared）值及头皮地形图，用以指示应选择哪些通道和频率区间。对于光标控制，经过训练的受试者应能够在一到两秒内快速将光标移动至所示目标。我们刚刚向您展示了如何配置脑机接口以采集脑电图（EEG）信号，并训练用户利用其脑部活动来控制虚拟光标。

需要记住的是，一个人学会使用该系统可能需要大量的培训，但只要有毅力，几乎任何人都能掌握。以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。