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

Une interface cerveau-ordinateur, ou ICO, fonctionne en traduisant un signal neuronal tel que l'électroencéphalogramme, ou EEG, en un signal pouvant être utilisé pour commander un ordinateur ou un autre appareil. La procédure commence par fixer un casque d'électrodes EEG sur le cuir chevelu du sujet afin d'enregistrer l'activité cérébrale. On demande ensuite au sujet d'imaginer plusieurs mouvements volontaires des mains et des pieds, moment auquel une procédure d'étalonnage est effectuée, laquelle analyse les caractéristiques de l'EEG résultant de cette procédure d'étalonnage.

Les valeurs de R² et la tomographie du cuir chevelu peuvent être utilisées pour déterminer quelles électrodes et quels intervalles de fréquence seront utilisés pour guider un curseur à l'écran. Les sujets pourront ensuite déplacer rapidement un curseur vers des zones cibles simplement en y pensant. Bonjour, je suis Adam Wilson, et je travaille au laboratoire de Justin Williams au sein du Département de génie biomédical de l'Université du Wisconsin-Madison.

Aujourd'hui, je vais vous présenter la procédure d'enregistrement de l'activité cérébrale appelée électroencéphalogramme, ou EEG, utilisée pour commander une application interface cerveau-ordinateur. Commençons. Vous débutez ce protocole en connectant des électrodes EEG au cuir chevelu du sujet à l'aide d'une calotte EEG, qui positionne les électrodes selon le système international 10-20.

Pour positionner correctement le casque sur le cuir chevelu du sujet, utilisez un stylo à pointe feutre pour marquer le nasion, qui correspond à l'intersection des os frontaux et nasaux, ainsi que l'inion, la saillie la plus importante de l'os occipital. Repérez le point médian entre le nasion et l'inion et marquez-le. Cette position est appelée le vertex.

Repérez l'électrode CZ sur le casque et positionnez-la sur le vertex en maintenant CZ fixe. Enfilez le casque sur la tête. Assurez-vous que les électrodes FCz et Pz se trouvent sur la ligne médiane du cuir chevelu, que les électrodes O1 à O2 sont horizontales et alignées avec Oz, et que FP1 à FP2 sont alignées avec FPz.

Maintenant, fixez l'électrode de référence, qui se fixe généralement sur un lobe de l'oreille. Maintenant que les électrodes ont été correctement placées, il faut s'assurer qu'un bon contact électrique est établi avec le cuir chevelu. Pour cela, un gel conducteur est d'abord aspiré dans une petite seringue munie d'une aiguille à extrémité émoussée.

Insérez ensuite l'aiguille dans une électrode et frottez doucement le cuir chevelu avec l'aiguille pour éliminer toute peau morte. Commencez par l'électrode de référence auriculaire et répétez l'opération pour toutes les électrodes, y compris la masse, puis remplissez chaque électrode avec une petite quantité de gel. Veillez à ne pas trop les remplir.

Vérifiez les impédances de tous les canaux, qui doivent toutes être inférieures à cinq kiloohms. Votre méthode variera selon votre système d'amplification. Pour ce faire avec l'amplificateur GUSB dans BCI 2000, vous devez modifier le paramètre du mode d'acquisition sur « impedance » et appuyer sur « set config » pour obtenir les valeurs d'impédance de tous les canaux.

Si un électrode présente une impédance supérieure à cinq kiloohms, réinsérez l'aiguille et abrassez davantage le cuir chevelu afin de renforcer la connexion. Vérifiez ensuite à nouveau l'impédance. Le casque d'EEG est désormais prêt à enregistrer les signaux.

Pour commencer, configurez le système informatique en mode double écran. Lancez BCI 2000 à partir du lanceur BCI 2000 en sélectionnant le module source de l'amplificateur, le module de traitement du signal factice et le module de présentation des stimuli. Ajoutez les fichiers de paramètres pour votre sujet, l'amplificateur et les tâches de dépistage moteur, que vous devez configurer à l'avance avant la séance. L'écran est soit vide, soit affiche une instruction telle que main droite, main gauche, deux mains ou deux pieds, pendant trois secondes à la fois.

Pendant chaque mouvement de trois secondes, le sujet doit imaginer continuellement le mouvement indiqué. Les mouvements des mains doivent consister à ouvrir et fermer les mains comme si l'on serrait une balle de tennis, et les mouvements des pieds doivent consister à déplacer les pieds d'avant en arrière comme si l'on appuyait sur une pédale d'accélérateur avec les deux pieds. Lorsque l'écran est vide, le sujet doit se détendre complètement pendant l'essai.

Répétez chaque partie du corps 20 fois et effectuez cinq séries, pour un total de cent points de données. Vous pouvez maintenant analyser les données afin de déterminer les caractéristiques de l'EEG propres à chaque mouvement imaginé. Maintenant que vous avez terminé la collecte des données de dépistage, il est temps d'utiliser l'outil d'analyse hors ligne de BCI 2000 pour déterminer quelles caractéristiques du signal d'EEG les utilisateurs sont capables de moduler volontairement.

L'outil d'analyse hors ligne convertit le signal EEG en domaine fréquentiel, ce qui permet de déterminer les canaux et les caractéristiques fréquentielles du signal qui étaient maximalement corrélés avec les tâches. Pour commencer l'analyse, lancez le programme de math lab et accédez au dossier d'analyse hors ligne BCI 2000, puis démarrez le programme. Utilisez ce programme pour identifier les caractéristiques EEG fortement corrélées à chaque mouvement.

Pour chaque mouvement, tracez les données, puis identifiez les graphiques présentant les valeurs de R² les plus élevées ou la corrélation la plus forte. Vous pouvez alors utiliser les canaux et les intervalles de fréquence ayant les valeurs de R² les plus élevées comme signaux de commande pour déplacer le curseur dans une direction particulière. Par exemple, configurez des caractéristiques qui changent dans la condition de la main droite afin de déplacer le curseur vers le côté droit de l'écran.

Lors de l'analyse de vos données, assurez-vous que les canaux et les fréquences choisis sont cohérents avec les propriétés connues des rythmes corticaux sensorimoteurs. Par exemple, vous devriez observer des changements significatifs correspondant à un mouvement imaginé de la main droite au niveau du cortex moteur controlatéral près de C3 et CP3, centrés respectivement autour de 8 à 12 hertz et de 18 à 28 hertz. Si ces localisations et valeurs diffèrent, vous avez probablement mesuré du bruit ou un effet aléatoire, et vous ne devriez pas configurer ce rythme particulier comme caractéristique de contrôle.

Pour chaque condition, choisissez le numéro de canal et les intervalles de fréquence ayant les quatre valeurs de R² les plus élevées. Avec ces valeurs en main, vous pouvez configurer le système pour la tâche de contrôle du curseur. Maintenant que vous avez déterminé les caractéristiques corrélées à chaque mouvement imaginé, il est temps de configurer le système BCI pour utiliser ces caractéristiques afin de contrôler le déplacement du curseur.

Tout d'abord, nous allons configurer la session de déplacement du curseur dans le lanceur BCI 2000 en sélectionnant votre module source d'amplification, votre module de traitement du signal AR et votre module de tâche. Commencez par configurer le filtre spatial avec une référence moyenne commune. Pour ce faire, appuyez sur « config » dans l'opérateur BCI 2000 pour afficher la liste des paramètres, puis sélectionnez l'onglet filtrage.

Accédez au filtrage spatial et modifiez la liste déroulante du type de filtre spatial en référence moyenne commune ou CAR sous filtre spatial, sortie CAR. Répertoriez les noms ou numéros de canaux que vous avez sélectionnés lors de la session d'étalonnage. Ensuite, configurez la matrice de classification pour utiliser les caractéristiques que vous avez sélectionnées sous l'onglet de filtrage.

Accédez au paramètre du classificateur et appuyez sur « Modifier la matrice ». Réglez le nombre de colonnes à quatre et le nombre de lignes au nombre total de caractéristiques sélectionnées. Chaque ligne de la matrice correspond à une caractéristique individuelle.

Dans la première colonne, saisissez tous les noms de canaux. Dans la deuxième colonne, saisissez les intervalles de fréquence que vous avez sélectionnés pour contrôler chaque mouvement. Dans la troisième colonne, concernant le canal de sortie, saisissez le déplacement du curseur contrôlé par la caractéristique.

Une valeur de un correspond à un déplacement horizontal et une valeur de deux correspond à un déplacement vertical. Les canaux C3, CP trois, C quatre et CP quatre doivent être réglés sur un pour le contrôle horizontal du curseur. La tâche C3, CP trois, C quatre, CP quatre et CZ doit être réglée sur deux pour une tâche de contrôle vertical du curseur.

Enfin, dans la quatrième colonne, saisissez le poids de la caractéristique, qui correspond à la direction opposée souhaitée. Par exemple, pour déplacer le curseur vers la droite, vous devez attribuer à C3 et CP3 une valeur de moins un, et pour le déplacer vers la gauche, vous devez attribuer à C4 et CP4 une valeur de un. De même, pour déplacer le curseur vers le bas, vous devez attribuer à CZ et CPZ une valeur de un, et pour le déplacer vers le haut, vous devez attribuer à C3 et C4 une valeur de moins un.

À présent que vous avez configuré le système avec les paramètres corrects, il est temps de commencer la tâche expérimentale. Réalisez les essais dans une pièce faiblement éclairée, munie d'une chaise confortable pour le sujet. Pendant les essais, le sujet doit limiter ses mouvements au minimum.

Pour réduire les artefacts, des pauses seront prévues entre les essais. Lors des premiers essais, le curseur sera contraint à l'axe de la cible. Ainsi, si la cible se trouve en haut ou en bas, il ne sera possible de déplacer le curseur que vers le haut ou vers le bas, et si elle est située à gauche ou à droite de l'écran, le sujet ne pourra déplacer le curseur que vers la gauche ou vers la droite.

Une des cibles apparaît pendant une seconde. Le curseur apparaît au centre de l'écran. Le sujet dispose alors de cinq secondes pour utiliser les mouvements imaginés appropriés afin de diriger le curseur vers la cible.

Si le sujet atteint la cible, celle-ci change de couleur ; après cinq secondes sans impact, la session expire et l'essai est compté comme un échec. Après chaque essai, il y a un intervalle inter-essai de deux secondes pendant lequel le sujet peut se détendre, cligner des yeux, avaler ou ajuster sa position. Après 20 essais, le VCI 2000 passe en état de suspension. Pendant cette période, vous devrez peut-être réajuster certains paramètres si le sujet est incapable de déplacer le curseur.

Si, après quatre essais, le sujet ne parvient toujours pas à déplacer le curseur, vous devrez peut-être réanalyser les données recueillies à l’aide de l’outil d’analyse hors ligne de BCI 2000. Sélectionnez les nouveaux canaux et fréquences en fonction des nouveaux graphiques de caractéristiques. Plusieurs essais, voire plusieurs séances, peuvent être nécessaires avant que le sujet ne maîtrise la tâche.

Ces images montrent les valeurs de R-carré et la topographie du scalp pour la procédure d'étalonnage, indiquant quels canaux et intervalles de fréquence doivent être sélectionnés. Pour le contrôle du curseur, un sujet entraîné devrait être capable de déplacer rapidement le curseur vers la cible affichée en une ou deux secondes. Nous venons de vous montrer comment configurer une interface cerveau-ordinateur pour enregistrer des EEG et former un utilisateur à contrôler un curseur virtuel à l'aide de son activité cérébrale.

Il est important de garder à l'esprit qu'il peut être nécessaire de suivre une longue formation pour apprendre à utiliser ce système, mais avec de la persévérance, presque toute personne peut y parvenir. Voilà, c'est tout. Merci d'avoir regardé et bonne chance dans vos expériences.