שימוש EEG מבוסס מוחי המחשב ממשק עבור תנועת הסמן וירטואלי עם BCI2000

ממשק מוח-מחשב, או BCI, פועל על ידי תרגום אות עצבי, כגון אלקטרואנצפלוגרמה או EEG, לאות שניתן להשתמש בו כדי לשלוט במחשב או במכשיר אחר. הפרוצדורה מתחילה בהצמדת כובע אלקטרודות EEG לקרקפת של הנבדק כדי להקליט את הפעילות המוחית. לאחר מכן הנבדק מתבקש לדמיין מספר תנועות רצוניות של ידיו ורגליו, ובזמן זה מבוצע הליך כיול, המנתח את מאפייני ה-EEG כתוצאה מהליך הכיול.

ניתן להשתמש בערכי ה-R-squared ובטומוגרפיה של הקרקפת כדי לקבוע אילו אלקטרודות וסלי ב-frequency bins ישמשו להנחיית סמן על מסך המחשב. כך יוכלו הנבדקים להזיז סמן במהירות לאזורי מטרה רק באמצעות מחשבה. שלום, אני אדם וילסון, ואני עובד במעבדה של ג'סטין וויליאמס במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון.

היום אשתף אתכם בהליך להקלטת פעילות מוחית הנקרא אלקטרואנצפלוגרם או EEG, לצורך שליטה באפליקציה של ממשק מוח-מחשב. בואו נתחיל. את הפרוטוקול מתחילים בחיבור אלקטרודות EEG לקרקפת הנבדק באמצעות כובע EEG, הממקם את האלקטרודות בהתאם למערכת הבינארית הבינלאומית 10-20.

כדי למקם את הכובע נכונה על קרקומת הנבדק, השתמשו בטוש כדי לסמן את ה-nasion, שהוא נקודת המפגש של עצמות האף והמצח, ואת ה-inion, הבליטה הגדולה ביותר של עצם העורף. מצאו את נקודת האמצע שבין ה-nasion ל-inion וסמנו אותה. מיקום זה נקרא ה-vertex.

אתר את אלקטרודת CZ על הכובע והצב אותה על קודקוד הראש תוך שמירה על CZ במקומו. החלק את הכובע על הראש. ודא שאלקטרודות FC, cz ו-PZ נמצאות על קו האמצע של הקרקפת, שהאלקטרודות O1 עד O2 אופקיות ובגובה של oz, ושהאלקטרודות FP1 עד FP2 נמצאות בגובה של FPZ.

כעת חברו את אלקטרודת הייחוס, אשר בדרך כלל נתפסת על תנוך האוזן. לאחר שהאלקטרודות מוקמו כראוי, יש לוודא שנוצר מגע חשמלי תקין עם הקרקפת. לשם כך, שואבים תחילה ג'ל מוליך למזרק קטן עם מחט קהה.

לאחר מכן, הכניסו את המחט אל תוך אלקטרודה ושפשפו בעדינות את הקרקפת באמצעות המחט כדי להסיר עור מת. התחילו באלקטרודת הייחוס של האוזן וחזרו על הפעולה עבור כל שאר האלקטרודות, כולל אלקטרודת ההארקה, ומלאו כל אלקטרודה בכמות קטנה של ג'ל. היזהרו לא למלא אותן יותר מדי.

בדקו את העכבות של כל הערוצים, אשר כולן צריכות להיות נמוכות מ-five kilo ohms. השיטה תשתנה בהתאם למערכת המגבר שלכם. כדי לבצע זאת עם מגבר GUSB ב-BCI 2000, שנו את פרמטר מצב הרכישה (acquisition mode) ל-impedance ולחצו על set config כדי לברר את ערכי העכבות של כל הערוצים.

אם לאלקטרודה יש עכבה הגבוהה מ-five kilo ohms, הכניסו את המחט שנית ושחקו את קרקפת הראש מעט יותר כדי לחזק את החיבור. לאחר מכן בדקו את העכבה שוב. כעת כובע ה-EEG מוכן להקלטה.

כדי להתחיל, הגדירו את מערכת המחשב למצב של מסך כפול. הפעילו את BCI 2000 באמצעות ה-launcher של BCI 2000 על ידי בחירת מודול מקור המגבר, מודול עיבוד אותות דמי (dummy), ומודול הצגת הגירויים. הוסיפו את קבצי הפרמטרים עבור הנבדק, המגבר ומשימות סריקת המוטוריקה, אותם יש להגדיר מראש במהלך הסשן; המסך יהיה ריק או יציג הנחיה כגון יד ימין, יד שמאל, שתי הידיים או שתי הרגליים למשך שלוש שניות בכל פעם.

במהלך כל תנועה שנמשכת שלוש שניות, על הנבדק לדמיין באופן רציף את התנועה המצוינת. תנועות הידיים צריכות להיות פתיחה וסגירה של הידיים, בדומה ללחיצה על כדור טניס, ותנועות הרגליים צריכות להיות תנועה של הרגליים קדימה ואחורה, בדומה ללחיצה על דוושת הגז עם שתי הרגליים. כאשר המסך ריק, על הנבדק להרפות לחלוטין את הגוף במהלך הריצה.

חזרו על כל חלק גוף 20 פעמים ובצעו חמישה סבבים, לסך הכל מאה נקודות נתונים. כעת ניתן לנתח את הנתונים כדי לקבוע את מאפייני ה-EEG הייחודיים לכל דמיון תנועה. לאחר שסיימתם לאסוף את נתוני הסינון, הגיע הזמן להשתמש בכלי הניתוח במצב אופליין של BCI 2000 כדי לקבוע אילו מאפיינים באות ה-EEG המשתמשים מסוגלים לווסת באופן רצוני.

כלי הניתוח במצב אופליין ממיר את אות ה-EEG למרחב התדרים, שבו ניתן לקבוע אילו ערוצים ואילו מאפייני תדר באות היו בעלי המתאם המקסימלי למשימות. כדי להתחיל בניתוח, הפעל את תוכנת ה-math lab, נווט לתיקיית הניתוח במצב אופליין של BCI 2000 ולאחר מכן הפעל את התוכנית. השתמש בתוכנית כדי לקבוע אילו מאפייני EEG נמצאים במתאם חזק עם כל תנועה.

עבור כל תנועה, שרטט את הנתונים, ולאחר מכן מצא את הגרפים עם ערכי ה-R-squared הגבוהים ביותר או המתאם החזק ביותר. לאחר מכן, ניתן להשתמש בערוצים ובסלי התדרים (frequency bins) עם ערכי ה-R-squared הגבוהים ביותר כאותות בקרה להזזת הסמן לכיוון מסוים. לדוגמה, הגדר מאפיינים המשתנים בתנאי יד ימין כדי להזיז את הסמן לצד ימין של המסך.

בעת ניתוח הנתונים, ודאו כי הערוצים והתדרים שנבחרו עקביים עם תכונות ידועות של מקצבים תחושתיים-מוטוריים קורטיקליים. לדוגמה, עליכם לראות שינויים משמעותיים התואמים לתנועה מדומיינת של יד ימין מעל קורטקס המוטורי הצדי (contralateral) בקרבת C3 ו-CP3, המרוכזים בערכים של 8 עד 12 hertz ו/או 18 עד 28 hertz בהתאמה. אם מיקומים וערכים אלה שונים, ייתכן שמדדתם רעש או אפקט מקרי, ובמקרה כזה אין להגדיר את המקצב הספציפי הזה כמאפיין בקרה.

עבור כל תנאי, בחרו את מספר הערוץ ואת סלילי התדרים (frequency bins) עם ארבעה ערכי ה-R-squared הגבוהים ביותר. עם ערכים אלה בידכם, תוכלו להגדיר את המערכת למשימת בקרת הסמן. כעת, לאחר שקבעתם את המאפיינים המתאימים לכל תנועת Imagine, הגיע הזמן להגדיר את מערכת ה-BCI כך שתשתמש במאפיינים אלה כדי לשלוט בתנועת הסמן.

ראשית, נגדיר את סשן תנועת הסמן ב-BCI 2000 launcher על ידי בחירת מודול מקור המגבר, מודול עיבוד אותות AR ומודול המשימה. ראשית, הגדירו את המסנן המרחבי עם Common Average Reference. לשם כך, לחצו על config ב-BCI 2000 operator כדי להעלות את רשימת ההגדרות ולחצו על לשונית filtering.

עברו לסינון מרחבי (spatial filtering) ושנו את תיבת הבחירה של סוג המסנן המרחבי ל-common average reference או CAR תחת spatial filter, CAR output. רשמו את שמות הערוצים או את מספריהם שבחרתם במפגש הכיול. לאחר מכן, הגדירו את מטריצת הסיווג כך שתשתמש במאפיינים שבחרתם תחת לשונית הסינון (filtering).

עברו למערך הפרמטרים של המסווג ולחצו על עריכת מטריצה (edit matrix). הגדירו את מספר העמודות לארבע ואת מספר השורות למספר הכולל של המאפיינים שנבחרו. כל שורה במטריצה תואמת למאפיין בודד.

בעמודה הראשונה, הזינו את כל שמות הערוצים. בעמודה השנייה, הזינו את טווחי התדרים (frequency bins) שבחרתם כדי לשלוט בכל תנועה. בעמודה השלישית, ערוץ הפלט, הזינו את תנועת הסמן הנשלטת על ידי המאפיין.

ערך של אחת תואם לתנועה אופקית וערך של שתיים תואם לתנועה אנכית. את הערוצים C3, CP three, C four ו-CP four יש להגדיר כ-אחד עבור בקרת סמן אופקית. את המשימה C3 CP three, C four CP four ו-CZ יש להגדיר כשתיים עבור משימת בקרת סמן אנכית.

לבסוף, בעמודה הרביעית, הזן את משקל המאפיין, המתאים לכיוון המיועד ההפוך. לדוגמה, כדי להזיז את הסמן ימינה, יש להזין את C3 ואת CP three כמינוס אחד, וכדי להזיז אותו שמאלה, יש להזין את C four ואת CP four כאחד. באופן דומה, כדי להזיז את הסמן למטה, יש להזין את CZ ואת CPZ כאחד, וכדי להזיז את הסמן למעלה, יש להזין את C3 ואת C four כמינוס אחד.

כעת, לאחר שהגדרת את המערכת עם ההגדרות הנכונות, הגיע הזמן להתחיל במשימה הניסויית. בצע את הניסויים בחדר עם תאורה עמומה ובכיסא נוח עבור הנבדק. במהלך הניסויים, על הנבדק לצמצם את התנועה למינימום.

כדי לצמצם ארטיפקטים, יוכנסו הפסקות בין הניסיונות. בניסיונות הראשונים, הגבילו את הסמן לציר של המטרה. כלומר, אם המטרה נמצאת בחלק העליון או התחתון, ניתן להזיז את הסמן רק למעלה או למטה, ואם היא נמצאת בצד שמאל או ימין של המסך, הנבדק יוכל להזיז את הסמן רק שמאלה או ימינה.

אחד המטרות מופיעה למשך שנייה אחת. הסמן מופיע במרכז המסך. לאחר מכן, עומדות לרשות הנבדק חמש שניות להשתמש בתנועות הדמיון המתאימות כדי לכוון את הסמן אל המטרה.

אם הנבדק פוגע במטרה, היא מחליפה את צבעה; לאחר חמישה שניות ללא פגיעה, הפגישה מסתיימת בגלל פקיעת זמן (time out) ונחשבת כפספוס. לאחר הניסוי, ישנו מרווח של שתי שניות בין ניסויים (inter trial interval) שבמהלכו הנבדק יכול להירגע, למצמץ, לבלוע או להתאים מחדש את תנוחתו. לאחר 20 ניסיונות, ה-VCI 2000 נכנס למצב השהיה. במהלך זמן זה, ייתכן שתצטרך להתאים מחדש חלק מההגדרות אם הנבדק אינו מסוגל להזיז את הסמן.

אם לאחר ארבע הרצות הנבדק עדיין אינו מסוגל להזיז את הסמן, ייתכן שיהיה צורך לנתח מחדש את הנתונים שנאספו באמצעות כלי הניתוח לא מקוון של BCI 2000. יש לבחור ערוצים ותדרים חדשים בהתבסס על גרפי המאפיינים החדשים. ייתכן שיידרשו מספר הרצות או אולי מספר מפגשים עד שהנבדק ירכוש מיומנות בביצוע המשימה.

תמונות אלו מציגות את ערכי ה-R-squared ואת טופוגרפיית הקרקפת של הליך הכיול, המצביעים על הערוצים וטווח התדרים שיש לבחור. לצורך בקרת הסמן, נבדק מאומן צריך להיות מסוגל להזיז במהירות את הסמן אל המטרה המוצגת בתוך שנייה אחת או שתיים. הרגע הדגמנו כיצד להגדיר ממשק מוח-מחשב לאיסוף EEG וכיצד לאמן משתמש לשלוט בסמן וירטואלי באמצעות הפעילות המוחית שלו.

חשוב לזכור כי למידה של אופן השימוש במערכת זו עשויה לדרוש אימון רב, אך עם התמדה, כמעט כל אחד יכול ללמוד כיצד לבצע זאת. זהו כל השלב. תודה שצפיתם ובהצלחה בניסוייכם.