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

Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle oder BCI funktioniert, indem sie ein neuronales Signal wie das Elektroenzephalogramm oder EEG in ein Signal umwandelt, das zur Steuerung eines Computers oder eines anderen Geräts verwendet werden kann. Das Verfahren beginnt damit, dass die EEG-Elektrodenkappe am Kopf des Probanden befestigt wird, um die Gehirnaktivität aufzuzeichnen. Anschließend wird der Proband gebeten, mehrere willkürliche Bewegungen mit Händen und Füßen vorzustellen, woraufhin ein Kalibrierungsverfahren durchgeführt wird, das die Eigenschaften des EEG anhand der Ergebnisse des Kalibrierungsverfahrens analysiert.

Die R-Quadrat-Werte und die Skalptomographie können verwendet werden, um zu bestimmen, welche Elektroden und Frequenzbänder genutzt werden, um einen Cursor auf dem Computerbildschirm zu steuern. Die Probanden werden dann in der Lage sein, einen Cursor allein durch Gedanken schnell auf Zielbereiche zu bewegen. Hallo, ich bin Adam Wilson, und ich arbeite im Labor von Justin Williams in der Abteilung für Biomedizinische Technik an der University of Wisconsin-Madison.

Heute werde ich das Verfahren zur Aufzeichnung der Gehirnaktivität, das Elektroenzephalogramm oder EEG genannt wird, vorstellen, das zur Steuerung einer Anwendung einer Gehirn-Computer-Schnittstelle verwendet wird. Beginnen wir also. Sie starten dieses Protokoll, indem Sie EEG-Elektroden über eine EEG-Kappe an die Kopfhaut des Probanden anschließen, wodurch die Elektroden gemäß dem internationalen 10-20-System positioniert werden.

Um die Kappe korrekt auf der Kopfhaut des Probanden zu positionieren, markieren Sie mit einem Filzstift das Nasion, also den Schnittpunkt der Stirn- und Nasenbeine, sowie den Inion, den stärksten Vorsprung des Hinterhauptsbeins. Ermitteln Sie die Mitte zwischen Nasion und Inion und markieren Sie diese Stelle. Diese Position wird als Vertex bezeichnet.

Finden Sie die CZ-Elektrode auf der Kappe und positionieren Sie sie am Scheitelpunkt. Halten Sie CZ fest und ziehen Sie die Kappe über den Kopf. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden FCz und PZ auf der Mittellinie der Kopfhaut liegen, dass die Elektroden O1 bis O2 horizontal und auf gleicher Höhe mit Oz sind und dass FP1 bis FP2 auf gleicher Höhe mit FPZ liegen.

Befestigen Sie nun die Referenzelektrode, die in der Regel an einem Ohrläppchen befestigt wird. Nachdem die Elektroden korrekt platziert wurden, muss sichergestellt werden, dass ein geeigneter elektrischer Kontakt zur Kopfhaut hergestellt wird. Dazu wird zunächst leitfähiges Gel mit einer kleinen Spritze und einer stumpfen Nadel aufgezogen.

Danach die Nadel in eine Elektrode einführen und vorsichtig mit der Nadel die Kopfhaut abreiben, um abgestorbene Haut zu entfernen. Beginnen Sie mit der Ohren-Referenzelektrode und wiederholen Sie den Vorgang für alle Elektroden, einschließlich der Erdungselektrode; füllen Sie jede Elektrode mit einer kleinen Menge Gel. Achten Sie darauf, sie nicht überzufüllen.

Überprüfen Sie die Impedanzen aller Kanäle, die alle unter fünf Kiloohm liegen sollten. Ihre Methode variiert je nach Verstärkersystem. Um dies mit dem GUSB-Verstärker in BCI 2000 durchzuführen, ändern Sie den Parameter für den Erfassungsmodus auf „Impedanz“ und klicken Sie auf „Set Config“, um die Impedanzwerte aller Kanäle abzufragen.

Wenn eine Elektrode eine Impedanz von mehr als fünf Kiloohm aufweist, setzen Sie die Nadel erneut ein und abrasieren Sie die Kopfhaut stärker, um die Verbindung zu verbessern. Überprüfen Sie anschließend die Impedanz erneut. Nun ist die EEG-Kappe bereit zur Aufnahme.

Um zu beginnen, konfigurieren Sie das Computersystem für den Dual-Monitor-Modus. Starten Sie BCI 2000 über den BCI-2000-Launcher, indem Sie Ihr Verstärker-Quellmodul, das Dummy-Signalverarbeitungsmodul und das Stimulationspräsentationsmodul auswählen. Fügen Sie die Parameterdateien für Ihren Probanden, den Verstärker und die motorischen Screening-Aufgaben hinzu, die Sie vorab konfiguriert haben. Während der Sitzung ist der Bildschirm entweder leer oder zeigt jeweils drei Sekunden lang eine Anweisung wie rechte Hand, linke Hand, beide Hände oder beide Füße an.

Während jeder dreisekündigen Bewegung soll der Proband kontinuierlich die angegebene Bewegung mental durchführen. Bei den Handbewegungen handelt es sich um das Öffnen und Schließen der Hände, als würde man einen Tennisball zusammendrücken; bei den Fußbewegungen um das Vor- und Zurückbewegen der Füße, als würde man mit beiden Füßen auf ein Gaspedal treten. Wenn der Bildschirm leer ist, soll der Proband während eines Durchlaufs den Körper vollständig entspannen.

Wiederholen Sie jeden Körperteil 20-mal und führen Sie fünf Durchläufe durch, insgesamt also hundert Datensätze. Nun können Sie die Daten analysieren, um die EEG-Merkmale zu ermitteln, die jeweils für eine vorgestellte Bewegung charakteristisch sind. Nachdem Sie die Erfassung der Screening-Daten abgeschlossen haben, ist es nun an der Zeit, das Offline-Analysetool BCI 2000 zu verwenden, um festzustellen, welche Merkmale im EEG-Signal die Probanden willkürlich modulieren können.

Das Offline-Analysetool wandelt das EEG-Signal in den Frequenzbereich um, in dem Sie ermitteln können, welche Kanäle und welche Frequenzmerkmale im Signal am stärksten mit den Aufgaben korreliert waren. Um mit der Analyse zu beginnen, starten Sie das MathLab-Programm, navigieren Sie zum BCI 2000 Offline-Analyseordner und starten Sie anschließend das Programm. Nutzen Sie das Programm, um festzustellen, welche EEG-Merkmale stark mit jeder Bewegung korreliert sind.

Tragen Sie für jede Bewegung die Daten grafisch auf und ermitteln Sie anschließend die Diagramme mit den höchsten Bestimmtheitsmaßen (R-Quadrat-Werten) oder der stärksten Korrelation. Anschließend können Sie die Kanäle und Frequenzbänder mit den höchsten R-Quadrat-Werten als Steuersignale verwenden, um den Cursor in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Richten Sie beispielsweise Merkmale ein, die sich unter der Bedingung der rechten Hand ändern, um den Cursor auf die rechte Bildschirmseite zu bewegen.

Bei der Analyse Ihrer Daten sollten Sie sicherstellen, dass die gewählten Kanäle und Frequenzen mit den bekannten Eigenschaften kortikaler sensorisch-motorischer Rhythmen übereinstimmen. Beispielsweise sollten Sie signifikante Änderungen beobachten, die mit der Vorstellung einer rechten Handbewegung über dem kontralateralen motorischen Kortex nahe C3 und CP drei korrelieren und jeweils bei etwa acht bis 12 Hertz bzw. 18 bis 28 Hertz zentriert sind. Falls diese Positionen und Werte abweichen, haben Sie vermutlich Rauschen oder einen zufälligen Effekt gemessen und sollten diesen spezifischen Rhythmus nicht als Steuerungsmerkmal konfigurieren.

Wählen Sie für jede Bedingung die Kanalnummer und Frequenzbänder mit den vier höchsten Bestimmtheitsmaßen (R-Quadrat-Werten). Mit diesen Werten können Sie das System für die Cursorsteuerungsaufgabe konfigurieren. Nachdem Sie nun die Merkmale ermittelt haben, die mit jeder Vorstellung einer Bewegung korrelieren, ist es an der Zeit, das BCI-System so einzurichten, dass es diese Merkmale zur Steuerung der Cursorbewegung verwendet.

Zunächst richten wir die Sitzung zur Steuerung der Cursorbewegung im BCI 2000-Launcher ein, indem wir das Verstärker-Quellmodul, das AR-Signalverarbeitungsmodul und das Aufgabenmodul auswählen. Konfigurieren Sie zunächst den räumlichen Filter mit einer gemeinsamen Durchschnittsreferenz. Drücken Sie dazu im BCI 2000-Operator auf „Config“, um die Einstellungsliste aufzurufen, und wechseln Sie dann zum Reiter „Filtering“.

Wechseln Sie zur räumlichen Filterung und ändern Sie das Dropdown-Feld für den Typ des räumlichen Filters unter „Spatial Filter, CAR Output“ in „Common Average Reference“ oder CAR. Listen Sie die Kanalnamen oder -nummern auf, die Sie in der Kalibrierungssitzung ausgewählt haben. Konfigurieren Sie anschließend die Klassifizierungsmatrix so, dass sie die unter dem Reiter Filterung ausgewählten Merkmale verwendet.

Wechseln Sie zum Klassifikator-Parameter und klicken Sie auf „Matrix bearbeiten“. Stellen Sie die Anzahl der Spalten auf vier und die Anzahl der Zeilen auf die Gesamtanzahl der ausgewählten Merkmale ein. Jede Matrixzeile entspricht einem einzelnen Merkmal.

Geben Sie in der ersten Spalte alle Kanalnamen ein. Tragen Sie in der zweiten Spalte die Frequenzbänder ein, die Sie zur Steuerung jeder Bewegung ausgewählt haben. In der dritten Spalte, dem Ausgabekanal, geben Sie die durch das Merkmal gesteuerte Cursorbewegung ein.

Ein Wert von eins entspricht einer horizontalen Bewegung und zwei einer vertikalen Bewegung. Die Kanäle C3, CP drei, C vier und CP vier sollten für die horizontale Cursorsteuerung auf eins gesetzt werden. Aufgabe C3 CP drei, C vier CP vier und CZ sollten für eine vertikale Cursorsteuerungsaufgabe auf zwei gesetzt werden.

Schließlich tragen Sie in der vierten Spalte das Merkmalsgewicht ein, das der entgegengesetzten gewünschten Richtung entspricht. Um beispielsweise den Cursor nach rechts zu bewegen, sollten Sie C3 und CP3 mit minus eins gewichten und, um ihn nach links zu bewegen, C4 und CP4 mit eins. Ebenso sollten Sie zur Bewegung des Cursors nach unten CZ und CPZ mit eins gewichten und zur Bewegung nach oben C3 und C4 mit minus eins.

Nachdem Sie das System mit den richtigen Einstellungen konfiguriert haben, ist es an der Zeit, die experimentelle Aufgabe zu starten. Führen Sie die Versuche in einem schwach beleuchteten Raum mit einem bequemen Stuhl für den Probanden durch. Während der Versuche sollte der Proband seine Bewegungen auf ein Minimum beschränken.

Um Artefakte zu reduzieren, werden Pausen zwischen den Durchgängen eingelegt. Bei den ersten Durchgängen wird der Cursor auf die Achse des Ziels beschränkt. Das bedeutet, wenn sich das Ziel oben oder unten befindet, kann der Cursor nur nach oben oder unten bewegt werden, und wenn es sich links oder rechts auf dem Bildschirm befindet, kann der Proband den Cursor nur nach links oder rechts bewegen.

Eines der Ziele erscheint für eine Sekunde. Der Cursor erscheint in der Mitte des Bildschirms. Der Proband hat dann fünf Sekunden Zeit, um mit den geeigneten vorgestellten Bewegungen den Cursor zum Ziel zu lenken.

Wenn der Proband das Ziel trifft, wechselt es die Farbe; nach fünf Sekunden ohne Treffer endet die Sitzung und der Versuch wird als Fehlversuch gewertet. Nach jedem Durchgang folgt eine zwei Sekunden dauernde inter-trial Pause, in der der Proband sich entspannen, blinzeln, schlucken oder anderweitig seine Position korrigieren kann. Nach 20 Durchgängen wechselt der VCI 2000 in einen Ruhezustand. Während dieser Zeit kann es notwendig sein, einige Einstellungen anzupassen, falls der Proband den Cursor nicht bewegen kann.

Falls die Versuchsperson nach vier Durchgängen immer noch nicht in der Lage ist, den Cursor zu bewegen, müssen die gesammelten Daten möglicherweise erneut mit dem BCI 2000 Offline-Analysetool ausgewertet werden. Wählen Sie basierend auf den neuen Merkmalsdarstellungen die neuen Kanäle und Frequenzen aus. Es kann mehrere Durchgänge oder möglicherweise mehrere Sitzungen dauern, bis eine Versuchsperson die Aufgabe beherrscht.

Diese Bilder zeigen die R-Quadrat-Werte und die Skalp-Topographie für den Kalibrierungsprozess, wodurch angezeigt wird, welche Kanäle und Frequenzbänder ausgewählt werden sollten. Für die Cursorsteuerung sollte ein geschulter Proband den Cursor innerhalb von ein oder zwei Sekunden zügig auf das angezeigte Ziel bewegen können. Soeben haben wir Ihnen gezeigt, wie man eine Gehirn-Computer-Schnittstelle konfiguriert, um EEGs aufzuzeichnen und einen Benutzer darin zu schulen, einen virtuellen Cursor mithilfe seiner Gehirnaktivität zu steuern.

Es ist wichtig zu bedenken, dass es viel Übung erfordern kann, bis jemand lernt, wie man dieses System bedient, aber mit etwas Ausdauer kann fast jeder es erlernen. Das war's also. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.