El uso de un EEG basado en interfaz cerebro-ordenador para el movimiento del cursor virtual con BCI2000

Una interfaz cerebro-ordenador o BCI funciona traduciendo una señal neural, como el electroencefalograma o EEG, en una señal que puede utilizarse para controlar un ordenador u otro dispositivo. El procedimiento comienza colocando un casco con electrodos EEG sobre el cuero cabelludo del sujeto para registrar la actividad cerebral. A continuación, se pide al sujeto que imagine varios movimientos voluntarios con las manos y los pies, momento en el cual se realiza un procedimiento de calibración que analiza las características del EEG resultantes de dicho procedimiento.

Los valores de R-cuadrado y la tomografía del cuero cabelludo pueden utilizarse para determinar qué electrodos y qué intervalos de frecuencia se utilizarán para guiar un cursor en la pantalla del ordenador. Luego, los sujetos podrán mover rápidamente un cursor hacia áreas objetivo simplemente pensando en ello. Hola, soy Adam Wilson, y trabajo en el laboratorio de Justin Williams en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Hoy compartiré el procedimiento para registrar la actividad cerebral denominado electroencefalograma o EEG, utilizado para controlar una aplicación de interfaz cerebro-computadora. Comencemos. Este protocolo se inicia conectando electrodos EEG al cuero cabelludo del sujeto mediante un casco EEG, que coloca los electrodos según el sistema internacional 10-20.

Para colocar correctamente la tapa sobre el cuero cabelludo del sujeto, utilice un bolígrafo de punta de fieltro para marcar el nasión, que es la intersección de los huesos nasales frontales y el inión, la protuberancia más grande del hueso occipital. Encuentre el punto medio entre el nasión y el inión y márquelo. Esta posición se denomina vértice.

Localice el electrodo CZ en la cofia y colóquelo en el vértice manteniendo fijo el CZ. Deslice la cofia sobre la cabeza. Asegúrese de que los electrodos FCz y Pz estén en la línea media del cuero cabelludo, de que los electrodos O1 y O2 estén horizontales y alineados con Oz, y de que FP1 y FP2 estén alineados con FPz.

Ahora coloque el electrodo de referencia, que normalmente se sujeta a un lóbulo de la oreja. Una vez que los electrodos han sido colocados correctamente, se debe asegurar un buen contacto eléctrico con el cuero cabelludo. Para ello, primero se aspira gel conductor en una pequeña jeringa con una aguja de extremo romo.

Luego inserte la aguja en un electrodo y frote suavemente el cuero cabelludo con la aguja para eliminar cualquier piel muerta. Comience con el electrodo de referencia auricular y repita para todos los electrodos, incluyendo el de tierra; llene el electrodo con una pequeña cantidad de gel. Tenga cuidado de no llenarlo en exceso.

Verifique las impedancias de todos los canales, las cuales deben ser inferiores a cinco kiloohmios. Su método variará según el sistema de amplificación. Para hacerlo con el amplificador GUSB en BCI 2000, cambiará el parámetro del modo de adquisición a impedancia y presionará "set config" para consultar los valores de impedancia de todos los canales.

Si un electrodo tiene una impedancia mayor de cinco kiloohmios, inserte nuevamente la aguja y abrade un poco más el cuero cabelludo para reforzar la conexión. Luego verifique de nuevo la impedancia. Ahora el casco de EEG está listo para la grabación.

Para comenzar, configure el sistema informático en modo de doble monitor. Inicie BCI 2000 desde el lanzador de BCI 2000 seleccionando el módulo fuente del amplificador, el módulo de procesamiento de señal ficticio y el módulo de presentación de estímulos. Agregue los archivos de parámetros para su sujeto, el amplificador y las tareas de cribado motor, que debe configurar previamente antes de la sesión. La pantalla estará en blanco o mostrará una instrucción como mano derecha, mano izquierda, ambas manos o ambos pies durante tres segundos cada vez.

Durante cada movimiento de tres segundos, el sujeto debe imaginar continuamente el movimiento indicado. Los movimientos de la mano deben consistir en abrir y cerrar las manos como si se apretara una pelota de tenis, y los movimientos del pie deben consistir en mover los pies hacia adelante y hacia atrás como si se pisara un acelerador con ambos pies. Cuando la pantalla esté en blanco, el sujeto debe relajar completamente el cuerpo durante la ejecución.

Repita cada parte del cuerpo 20 veces y realice cinco series para un total de cien puntos de datos. Ahora puede analizar los datos para determinar las características del EEG únicas para cada movimiento imaginado. Ahora que ha terminado de recopilar los datos de cribado, es momento de utilizar la herramienta de análisis fuera de línea de BCI 2000 para determinar qué características de la señal de EEG los usuarios pueden modular voluntariamente.

La herramienta de análisis fuera de línea convierte la señal de EEG en el dominio de frecuencia, donde se puede determinar qué canales y qué características de frecuencia en la señal presentaron la máxima correlación con las tareas. Para comenzar el análisis, inicie el programa de matemáticas y acceda a la carpeta de análisis fuera de línea de BCI 2000, luego inicie el programa. Utilice el programa para determinar qué características de EEG se correlacionan fuertemente con cada movimiento.

Para cada movimiento, represente los datos, luego busque las gráficas con los valores de R al cuadrado más altos o la correlación más fuerte. Luego puede utilizar los canales y los intervalos de frecuencia con los valores de R al cuadrado más altos como señales de control para mover el cursor en una dirección determinada. Por ejemplo, configure características que cambien en la condición de la mano derecha para mover el cursor hacia el lado derecho de la pantalla.

Al analizar sus datos, asegúrese de que los canales y frecuencias elegidos sean coherentes con las propiedades conocidas de los ritmos sensoriomotores corticales. Por ejemplo, debería observar cambios significativos correspondientes al movimiento imaginado de la mano derecha sobre la corteza motora contralateral cerca de C3 y CP3, centrados aproximadamente en 8 a 12 hercios y/o en 18 a 28 hercios, respectivamente. Si estas ubicaciones y valores son diferentes, probablemente haya medido ruido o algún efecto aleatorio y no debería configurar ese ritmo particular como característica de control.

Para cada condición, elija el número de canal y los intervalos de frecuencia con los cuatro valores de R cuadrado más altos. Con estos valores, puede configurar el sistema para la tarea de control del cursor. Ahora que ha determinado las características correlacionadas con cada movimiento imaginado, es momento de configurar el sistema de ICI para que utilice estas características y controle el movimiento del cursor.

Primero, configuraremos la sesión de movimiento del cursor en el lanzador de BCI 2000 seleccionando el módulo de fuente del amplificador, el módulo de procesamiento de señal AR y el módulo de tarea. Primero, configure el filtro espacial con una referencia promedio común. Para hacerlo, presione config en el operador de BCI 2000 para mostrar la lista de configuraciones y presione la pestaña de filtrado.

Vaya a filtrado espacial y cambie el cuadro desplegable del tipo de filtro espacial a referencia promedio común o CAR bajo filtro espacial, salida CAR. Liste los nombres o números de los canales que seleccionó en la sesión de calibración. A continuación, configure la matriz de clasificación para utilizar las características que seleccionó en la pestaña de filtrado.

Vaya al parámetro del clasificador y presione editar matriz. Establezca el número de columnas en cuatro y el número de filas en el total de características seleccionadas. Cada fila de la matriz corresponde a una característica individual.

En la primera columna, ingrese todos los nombres de los canales. En la segunda columna, ingrese los intervalos de frecuencia que ha seleccionado para controlar cada movimiento. En la tercera columna, salida del canal, ingrese el movimiento del cursor controlado por la característica.

Un valor de uno corresponde al movimiento horizontal y dos corresponde al movimiento vertical. Los canales C3, CP tres, C cuatro y CP cuatro deben establecerse en uno para el control horizontal del cursor. Para una tarea de control vertical del cursor, se deben establecer en dos los canales C3, CP tres, C cuatro, CP cuatro y CZ.

Finalmente, en la cuarta columna, ingrese el peso de la característica, que corresponde a la dirección opuesta deseada. Por ejemplo, para mover el cursor hacia la derecha, debe asignar a C3 y CP3 un valor de menos uno; y para moverlo hacia la izquierda, debe asignar a C4 y CP4 un valor de uno. De manera similar, para mover el cursor hacia abajo, debe asignar a CZ y CPZ un valor de uno; y para mover el cursor hacia arriba, debe asignar a C3 y C4 un valor de menos uno.

Ahora que ha configurado el sistema con la configuración correcta, es momento de comenzar la tarea experimental. Realice los ensayos en una habitación con poca luz y una silla cómoda para el sujeto. Durante los ensayos, el sujeto debe mantener al mínimo los movimientos.

Para reducir los artefactos, habrá pausas entre los ensayos. En los primeros ensayos, restrinja el cursor al eje del objetivo. Es decir, si el objetivo está en la parte superior o inferior, solo será posible mover el cursor hacia arriba o hacia abajo, y si está a la izquierda o a la derecha de la pantalla, el sujeto solo podrá mover el cursor hacia la izquierda o hacia la derecha.

Uno de los objetivos aparece durante un segundo. El cursor aparece en el centro de la pantalla. A continuación, el sujeto tiene cinco segundos para utilizar los movimientos imaginados apropiados y dirigir el cursor hacia el objetivo.

Si el sujeto alcanza el objetivo, este cambia de color; después de cinco segundos sin impacto, finaliza la sesión y se cuenta como un fallo. Tras la prueba, hay un intervalo interensayo de dos segundos durante el cual el sujeto puede relajarse, parpadear, tragar o reajustar su posición. Después de 20 pruebas, el VCI 2000 entra en un estado suspendido. Durante este tiempo, puede ser necesario reajustar algunos ajustes si el sujeto no es capaz de mover el cursor.

Si después de cuatro ejecuciones el sujeto aún no puede mover el cursor, puede ser necesario volver a analizar los datos recopilados en la herramienta de análisis fuera de línea de BCI 2000. Seleccione los nuevos canales y frecuencias basándose en las nuevas gráficas de características. Puede llevar varias ejecuciones o posiblemente varias sesiones antes de que un sujeto pueda dominar la tarea.

Estas imágenes muestran los valores de R cuadrado y la topografía del cuero cabelludo para el procedimiento de calibración, indicando qué canales y ventanas de frecuencia deben seleccionarse. Para el control del cursor, un sujeto entrenado debería poder mover rápidamente el cursor hasta el objetivo mostrado en uno o dos segundos. Acabamos de mostrarle cómo configurar una interfaz cerebro-computadora para recopilar EEGs y entrenar a un usuario para controlar un cursor virtual mediante su actividad cerebral.

Es importante recordar que puede llevar mucho entrenamiento aprender a utilizar este sistema, pero con algo de perseverancia, casi cualquier persona puede aprender a hacerlo. Eso es todo. Gracias por ver este video y buena suerte con sus experimentos.