L'utilizzo di un EEG basato su Brain-Computer Interface permette movimenti del cursore virtuale con BCI2000

Un'interfaccia cervello-computer o BCI funziona traducendo un segnale neurale, come l'elettroencefalogramma o EEG, in un segnale utilizzabile per controllare un computer o un altro dispositivo. La procedura inizia fissando un cappuccio con elettrodi EEG al cuoio capelluto del soggetto per registrare l'attività cerebrale. Successivamente, si chiede al soggetto di immaginare diversi movimenti volontari delle mani e dei piedi; in questo momento viene eseguita una procedura di calibrazione, che analizza le caratteristiche dell'EEG risultanti da tale procedura.

I valori di R-quadrato e la tomografia del cuoio capelluto possono essere utilizzati per determinare quali elettrodi e intervalli di frequenza verranno utilizzati per guidare un cursore sullo schermo del computer. I soggetti saranno quindi in grado di spostare rapidamente un cursore verso aree bersaglio semplicemente pensandoci. Ciao, sono Adam Wilson, e lavoro nel laboratorio di Justin Williams del Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università del Wisconsin-Madison.

Oggi illustrerò la procedura per registrare l'attività cerebrale chiamata elettroencefalogramma o EEG, utilizzata per controllare un'applicazione di interfaccia cervello-computer. Cominciamo. Si inizia questo protocollo collegando gli elettrodi EEG al cuoio capelluto del soggetto tramite un berretto EEG, che posiziona gli elettrodi secondo il sistema internazionale 10-20.

Per posizionare correttamente il cappuccio sul cuoio capelluto del soggetto, utilizzare una penna a punta di feltro per segnare il nasione, ovvero l'intersezione tra i processi frontali e nasali e l'inione, la sporgenza maggiore dell'osso occipitale. Individuare il punto mediano tra nasione e inione e segnarlo. Questa posizione è chiamata vertice.

Trovare l'elettrodo CZ sul casco e posizionarlo sul vertice mantenendo fisso il CZ. Far scivolare il casco sulla testa. Assicurarsi che gli elettrodi FCz e Pz siano sulla linea mediana del cuoio capelluto, che gli elettrodi da O1 a O2 siano orizzontali e allineati con Oz, e che da FP1 a FP2 siano allineati con FPz.

Ora collegare l'elettrodo di riferimento, che di solito si fissa a un lobo dell'orecchio. Dopo aver posizionato correttamente gli elettrodi, è necessario assicurarsi che vi sia un adeguato contatto elettrico con il cuoio capelluto. A tale scopo, del gel conduttivo viene prima aspirato in una piccola siringa munita di ago a punta smussata.

Quindi inserire l'ago in un elettrodo e sfregare delicatamente il cuoio capelluto con l'ago per rimuovere qualsiasi pelle morta. Iniziare dall'elettrodo di riferimento auricolare e ripetere per tutti gli elettrodi, inclusa la messa a terra; riempire l'elettrodo con una piccola quantità di gel. Fare attenzione a non riempirlo eccessivamente.

Verificare le impedenze di tutti i canali, che dovrebbero essere inferiori a cinque chiloohm. Il metodo varierà a seconda del sistema di amplificazione. Per eseguire questa operazione con l'amplificatore GUSB in BCI 2000, modificare il parametro della modalità di acquisizione su "impedenza" e premere "set config" per richiedere i valori di impedenza di tutti i canali.

Se un elettrodo presenta un'impedenza superiore a cinque chiloomohm, inserire nuovamente l'ago e abrasionare ulteriormente il cuoio capelluto per rafforzare il collegamento. Quindi verificare nuovamente l'impedenza. A questo punto il casco EEG è pronto per la registrazione.

Per iniziare, configurare il sistema informatico in modalità a doppio monitor. Avviare BCI 2000 dal launcher di BCI 2000 selezionando il modulo sorgente dell'amplificatore, il modulo di elaborazione del segnale fittizio e il modulo di presentazione degli stimoli. Aggiungere i file di parametro per il soggetto, l'amplificatore e le attività di screening motorio, che dovrebbero essere configurati in anticipo prima della sessione; lo schermo sarà vuoto oppure mostrerà un'istruzione come mano destra, mano sinistra, entrambe le mani o entrambi i piedi per tre secondi alla volta.

Per ogni movimento della durata di tre secondi, il soggetto deve continuamente immaginare il movimento indicato. I movimenti della mano devono consistere nell'aprire e chiudere le mani come se si stesse stringendo una palla da tennis, mentre i movimenti del piede devono consistere nello spostare i piedi avanti e indietro come se si stesse premendo un pedale dell'acceleratore con entrambi i piedi. Quando lo schermo è vuoto, il soggetto deve rilassare completamente il corpo durante l'esecuzione.

Ripetere ogni parte del corpo 20 volte ed eseguire cinque serie per un totale di cento punti dati. Ora è possibile analizzare i dati per determinare le caratteristiche dell'EEG uniche per ciascun movimento immaginato. Ora che hai terminato la raccolta dei dati di screening, è il momento di utilizzare lo strumento di analisi offline di BCI 2000 per determinare quali caratteristiche del segnale EEG l'utente è in grado di modulare volontariamente.

Lo strumento di analisi offline converte il segnale EEG nel dominio della frequenza, dove è possibile determinare quali canali e quali caratteristiche di frequenza nel segnale sono massimamente correlate con le attività. Per iniziare l'analisi, avviare il programma di matematica e accedere alla cartella di analisi offline di BCI 2000, quindi avviare il programma. Utilizzare il programma per determinare quali caratteristiche EEG sono fortemente correlate a ciascun movimento.

Per ogni movimento, tracciare i dati, quindi individuare i grafici con i valori di R-quadrato più elevati o con la correlazione più forte. È quindi possibile utilizzare i canali e le finestre di frequenza con i valori di R-quadrato più alti come segnali di controllo per spostare il cursore in una direzione specifica. Ad esempio, impostare caratteristiche che variano nella condizione della mano destra per spostare il cursore sul lato destro dello schermo.

Quando analizzi i tuoi dati, assicurati che i canali e le frequenze scelti siano coerenti con le proprietà note dei ritmi corticali sensorimotori. Ad esempio, dovresti osservare cambiamenti significativi corrispondenti al movimento immaginato della mano destra sulla corteccia motoria controlaterale vicino a C3 e CP3, centrati rispettivamente intorno a 8-12 hertz e/o 18-28 hertz. Se queste posizioni e valori sono diversi, probabilmente hai misurato rumore o un qualche effetto casuale e non dovresti configurare quel particolare ritmo come caratteristica di controllo.

Per ogni condizione, selezionare il numero di canale e le finestre di frequenza con i quattro valori di R-quadrato più elevati. Con questi valori, è possibile configurare il sistema per il compito di controllo del cursore. Ora che sono state determinate le caratteristiche correlate a ciascun movimento immaginato, è il momento di impostare il sistema BCI per utilizzare tali caratteristiche al fine di controllare il movimento del cursore.

Per prima cosa, configureremo la sessione di movimento del cursore nel launcher di BCI 2000 selezionando il modulo sorgente dell'amplificatore, il modulo di elaborazione del segnale AR e il modulo dell'attività. Prima di tutto, configurare il filtro spaziale con un riferimento medio comune. A tale scopo, premere config nell'operatore di BCI 2000 per visualizzare l'elenco delle impostazioni e premere la scheda filtraggio.

Vai al filtraggio spaziale e modifica la casella a discesa del tipo di filtro spaziale impostandola su riferimento medio comune o CAR sotto il filtro spaziale, output CAR. Elenca i nomi o i numeri dei canali che hai selezionato nella sessione di calibrazione. Successivamente, configura la matrice di classificazione per utilizzare le caratteristiche che hai selezionato nella scheda del filtraggio.

Vai al parametro del classificatore e premi modifica matrice. Imposta il numero di colonne a quattro e il numero di righe al totale delle caratteristiche selezionate. Ogni riga della matrice corrisponde a una singola caratteristica.

Nella prima colonna, inserire tutti i nomi dei canali. Nella seconda colonna, inserire le classi di frequenza selezionate per controllare ciascun movimento. Nella terza colonna, relativa al canale di uscita, inserire il movimento del cursore controllato dalla caratteristica.

Un valore pari a uno corrisponde a un movimento orizzontale e un valore pari a due corrisponde a un movimento verticale. I canali C3, CP tre, C quattro e CP quattro devono essere impostati su uno per il controllo orizzontale del cursore. L'attività C3 CP tre, C quattro CP quattro e CZ deve essere impostata su due per un compito di controllo verticale del cursore.

Infine, nella quarta colonna, inserire il peso della caratteristica, che corrisponde alla direzione opposta desiderata. Ad esempio, per spostare il cursore verso destra, si dovrebbe impostare C3 e CP3 a meno uno, e per spostarlo verso sinistra, si dovrebbe impostare C4 e CP4 a uno. Analogamente, per spostare il cursore verso il basso, si dovrebbe impostare CZ e CPZ a uno, e per spostare il cursore verso l'alto, si dovrebbe impostare C3 e C4 a meno uno.

Ora che hai configurato il sistema con le impostazioni corrette, è il momento di iniziare la procedura sperimentale. Esegui le prove in una stanza poco illuminata, dotata di una sedia comoda per il soggetto. Durante le prove, il soggetto deve mantenere al minimo i movimenti.

Per ridurre gli artefatti, saranno previse pause tra le prove. Nelle prime prove, il cursore sarà vincolato all'asse del bersaglio. Cioè, se il bersaglio si trova in alto o in basso, sarà possibile spostare il cursore solo verso l'alto o verso il basso, e se si trova a sinistra o a destra dello schermo, il soggetto potrà spostare il cursore solo verso sinistra o verso destra.

Uno dei bersagli appare per un secondo. Il cursore appare al centro dello schermo. Il soggetto ha quindi cinque secondi per utilizzare i movimenti immaginati appropriati per dirigere il cursore verso il bersaglio.

Se il soggetto colpisce il bersaglio, esso cambia colore; dopo cinque secondi senza un colpo, la sessione termina e l'evento viene conteggiato come un mancato colpo. Al termine della prova, vi è un intervallo inter-trial di due secondi durante il quale il soggetto può rilassarsi, battere le palpebre, deglutire o altrimenti riaggiustare la posizione. Dopo 20 prove, il VCI 2000 entra in uno stato sospeso. Durante questo periodo, potrebbe essere necessario riaggiustare alcune impostazioni se il soggetto non è in grado di muovere il cursore.

Se dopo quattro esecuzioni il soggetto non riesce ancora a muovere il cursore, potrebbe essere necessario riesaminare i dati raccolti mediante lo strumento di analisi offline di BCI 2000. Selezionare i nuovi canali e le nuove frequenze in base ai nuovi grafici delle caratteristiche. Potrebbero essere necessarie diverse esecuzioni o addirittura diverse sessioni prima che un soggetto acquisisca padronanza nel compito.

Queste immagini mostrano i valori di R-quadrato e la topografia del cuoio capelluto per la procedura di calibrazione, indicando quali canali e intervalli di frequenza devono essere selezionati. Per il controllo del cursore, un soggetto addestrato dovrebbe essere in grado di spostare rapidamente il cursore sul bersaglio mostrato entro uno o due secondi. Vi abbiamo appena mostrato come configurare un'interfaccia cervello-computer per acquisire EEG ed addestrare un utente a controllare un cursore virtuale utilizzando l'attività cerebrale.

È importante ricordare che può essere necessario molto addestramento affinché una persona impari a utilizzare questo sistema, ma con un po' di perseveranza quasi chiunque può impararlo. Questo è tutto. Grazie per aver guardato e buona fortuna con i vostri esperimenti.