BCI2000로 가상 커서 움직임을위한 EEG 기반 뇌 - 컴퓨터 인터페이스를 사용하여

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌전도(EEG)와 같은 신경 신호를 컴퓨터나 다른 장치를 제어하는 데 사용할 수 있는 신호로 변환하여 작동합니다. 절차는 먼저 대상자의 두피에 EEG 전극 캡을 부착하여 뇌 활동을 기록하는 것으로 시작합니다. 그 다음 대상자에게 손과 발의 여러 가지 자발적 움직임을 상상하도록 요청하며, 이때 캘리브레이션 절차를 수행하여 그 결과로 나타나는 EEG의 특성을 분석합니다.

R-제곱 값과 두피 토모그래피를 사용하여 컴퓨터 화면의 커서를 제어하는 데 사용할 전극과 주파수 빈을 결정할 수 있습니다. 이를 통해 피험자는 생각만으로 타겟 영역으로 커서를 빠르게 이동시킬 수 있게 됩니다. 안녕하세요, 저는 위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스 생체 의공학과 Justin Williams 교수님 연구실에서 근무하는 Adam Wilson입니다.

오늘은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 애플리케이션 제어를 위해 뇌 활동을 기록하는 방법인 뇌전도 또는 EEG 측정 절차를 공유하겠습니다. 그럼 시작하겠습니다. 이 프로토콜은 10-20 국제 표준 시스템에 따라 전극이 배치된 EEG 캡을 사용하여 피험자의 두피에 EEG 전극을 연결하는 것으로 시작합니다.

피험자의 두피에 캡을 정확하게 배치하려면, 전두비골이 교차하는 지점인 nasion과 후두골의 가장 돌출된 부위인 inion을 사인펜으로 표시하십시오. nasion과 inion의 중간 지점을 찾아 표시하십시오. 이 위치를 vertex라고 합니다.

캡에서 CZ 전극을 찾아 정수리 부분에 배치하고 CZ를 고정하십시오. 캡을 머리에 씌웁니다. FC, CZ 및 PZ 전극이 두피의 중앙선에 위치하는지, O1에서 O2 전극이 수평이며 OZ와 높이가 맞는지, 그리고 FP1에서 FP2가 FPZ와 높이가 맞는지 확인하십시오.

이제 일반적으로 귓볼에 클립으로 고정하는 기준 전극을 부착합니다. 전극들이 적절하게 배치되었으므로, 두피와 전기적 접촉이 제대로 이루어졌는지 확인해야 합니다. 이를 위해 먼저 뭉툭한 바늘이 달린 작은 주사기로 전도성 젤을 흡입합니다.

그런 다음 바늘을 전극에 삽입하고 바늘로 두피를 부드럽게 문질러 죽은 피부 세포를 제거합니다. 귀 참조 전극부터 시작하여 접지 전극을 포함한 모든 전극에 대해 이 과정을 반복하고, 전극에 소량의 젤을 채웁니다. 이때 젤이 너무 많이 채워지지 않도록 주의하십시오.

모든 채널의 임피던스를 확인하며, 모든 값은 5 kΩ 미만이어야 합니다. 확인 방법은 사용 중인 증폭기 시스템에 따라 다릅니다. BCI 2000의 GUSB 앰프를 사용하는 경우, 데이터 수집 모드(acquisition mode) 파라미터를 'impedance'로 변경하고 'set config'를 눌러 모든 채널의 임피던스 값을 조회하십시오.

전극의 임피던스가 5 kΩ보다 높은 경우, 바늘을 다시 삽입하고 두피를 좀 더 마모시켜 연결을 강화하십시오. 그런 다음 임피던스를 다시 확인하십시오. 이제 EEG 캡이 기록 준비되었습니다.

시작하려면 컴퓨터 시스템을 듀얼 모니터 모드로 설정하십시오. BCI 2000 런처에서 증폭기 소스 모듈, 더미 신호 처리 모듈 및 자극 제시 모듈을 선택하여 BCI 2000을 실행하십시오. 피험자, 증폭기 및 운동 스크리닝 작업에 대한 파라미터 파일을 추가하십시오. 이 파일들은 세션 시작 전에 미리 구성해야 하며, 화면은 빈 상태이거나 오른손, 왼손, 양손 또는 양발과 같은 지침을 한 번에 3초 동안 표시합니다.

각각 3초 동안 지속되는 움직임 과정에서, 피험자는 지시된 동작을 계속해서 상상해야 합니다. 손 동작은 테니스 공을 쥐는 것처럼 손을 펴고 쥐는 것이어야 하며, 발 동작은 가속 페달을 양발로 밟는 것처럼 발을 앞뒤로 움직이는 것이어야 합니다. 화면이 빈 상태일 때, 피험자는 실행 과정 동안 신체를 완전히 이완해야 합니다.

각 신체 부위를 20회씩 반복하고 5회차의 런(run)을 수행하여 총 100개의 데이터 포인트를 확보합니다. 이제 데이터를 분석하여 각 상상 운동에 고유한 EEG 특성을 결정할 수 있습니다. 스크리닝 데이터 수집이 완료되었으므로, 이제 BCI 2000 오프라인 분석 도구를 사용하여 사용자가 자발적으로 조절할 수 있는 EEG 신호의 특성이 무엇인지 결정할 차례입니다.

오프라인 분석 툴은 EEG 신호를 주파수 영역으로 변환하여, 신호 내의 어떤 채널과 어떤 주파수 특성이 작업과 최대 상관관계를 갖는지 결정할 수 있게 합니다. 분석을 시작하려면 math lab 프로그램을 실행하고 BCI 2000 오프라인 분석 폴더로 이동한 다음 프로그램을 시작하십시오. 해당 프로그램을 사용하여 어떤 EEG 특성이 각 움직임과 강한 상관관계를 갖는지 확인하십시오.

각 움직임에 대해 데이터를 도식화한 다음, R-제곱 값이 가장 크거나 상관관계가 가장 강한 그래프를 찾으십시오. 그 후 R-제곱 값이 가장 큰 채널과 주파수 빈(frequency bin)을 커서를 특정 방향으로 이동시키기 위한 제어 신호로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 오른손 조건에서 변화하는 특징들을 설정하여 커서가 화면의 오른쪽으로 이동하도록 구성하십시오.

데이터를 분석할 때, 선택한 채널과 주파수가 피질 감각 운동 리듬의 알려진 특성과 일치하는지 확인하십시오. 예를 들어, C3 및 CP3 근처의 대측 운동 피질에서 상상된 오른손 움직임에 해당하는 유의미한 변화가 관찰되어야 하며, 이는 각각 8~12 Hz 또는 18~28 Hz 부근에서 중심을 이루어야 합니다. 만약 이러한 위치와 값이 다르게 나타난다면, 이는 노이즈나 무작위 효과를 측정한 것일 가능성이 높으므로 해당 리듬을 제어 특성으로 설정해서는 안 됩니다.

각 조건에 대해, R-제곱 값이 가장 큰 상위 4개의 채널 번호와 주파수 빈을 선택하십시오. 이 값들을 사용하여 커서 제어 작업을 위한 시스템을 구성할 수 있습니다. 각 상상 움직임과 상관관계가 있는 특징을 결정했으므로, 이제 이 특징들을 사용하여 커서 움직임을 제어하도록 BCI 시스템을 설정할 차례입니다.

먼저, 앰플리파이어 소스 모듈, AR 신호 처리 모듈 및 태스크 모듈을 선택하여 BCI 2000 런처에서 커서 이동 세션을 설정합니다. 우선, 공통 평균 참조(common average reference)를 사용하여 공간 필터를 설정하십시오. 이를 위해 BCI 2000 오퍼레이터에서 config를 눌러 설정 목록을 불러온 다음, filtering 탭을 누릅니다.

공간 필터링(spatial filtering)으로 이동하여 공간 필터 유형 드롭다운 박스를 공간 필터, CAR 출력의 공통 평균 참조(common average reference) 또는 CAR로 변경하십시오. 보정 세션에서 선택한 채널 이름 또는 번호를 나열하십시오. 다음으로, 필터링 탭에서 선택한 특성을 사용하도록 분류 행렬을 구성하십시오.

분류기 매개변수로 이동하여 행렬 편집을 누릅니다. 열의 수를 4로 설정하고, 행의 수를 선택한 전체 특성 수로 설정합니다. 각 행렬 행은 개별 특성에 해당합니다.

첫 번째 열에 모든 채널 이름을 입력하십시오. 두 번째 열에는 각 움직임을 제어하기 위해 선택한 주파수 빈(frequency bins)을 입력하십시오. 세 번째 열인 출력 채널에는 해당 기능으로 제어되는 커서 움직임을 입력하십시오.

값 1은 수평 이동에 해당하며, 값 2는 수직 이동에 해당합니다. 수평 커서 제어를 위해서는 채널 C3, CP3, C4 및 CP4를 1로 설정해야 합니다. 수직 커서 제어 과제의 경우에는 C3, CP3, C4, CP4 및 CZ를 2로 설정해야 합니다.

마지막으로, 네 번째 열에 의도한 방향과 반대되는 특성 가중치를 입력합니다. 예를 들어, 커서를 오른쪽으로 이동시키려면 C3와 CP3를 -1로 설정해야 하며, 왼쪽으로 이동시키려면 C4와 CP4를 1로 설정해야 합니다. 마찬가지로, 커서를 아래로 이동시키려면 CZ와 CPZ를 1로 설정해야 하고, 커서를 위로 이동시키려면 C3와 C4를 -1로 설정해야 합니다.

시스템을 올바른 설정으로 구성했으므로, 이제 실험 과제를 시작할 차례입니다. 피험자가 편안하게 앉을 수 있는 의자가 구비된 어두운 조명의 방에서 실험을 진행하십시오. 실험이 진행되는 동안 피험자는 움직임을 최소화해야 합니다.

아티팩트를 줄이기 위해 시행 사이에 휴식 시간을 둡니다. 초기 시행에서는 커서를 타겟의 축으로 제한합니다. 즉, 타겟이 상단 또는 하단에 있는 경우 커서를 위 또는 아래로만 이동할 수 있으며, 타겟이 화면의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는 경우 피험자는 커서를 왼쪽 또는 오른쪽으로만 이동할 수 있습니다.

타겟 중 하나가 1초 동안 나타납니다. 커서는 화면 중앙에 나타납니다. 이후 피험자는 적절한 상상 운동을 통해 커서를 타겟으로 이동시키는 데 5초의 시간을 갖습니다.

피험자가 표적을 맞히면 색상이 변경되며, 5초 동안 맞히지 못할 경우 세션 시간이 초과되어 실패로 처리됩니다. 시행 후에는 피험자가 휴식을 취하거나 눈을 깜박이고, 침을 삼키거나, 자세를 조정할 수 있는 2초의 시행 간 간격이 제공됩니다. 20회의 시행이 끝나면 VCI 2000은 일시 중지 상태로 진입합니다. 이 시간 동안 피험자가 커서를 움직이지 못한다면 일부 설정을 다시 조정해야 할 수도 있습니다.

4회 시행 후에도 피험자가 여전히 커서를 움직이지 못하는 경우, BCI 2000 오프라인 분석 도구에서 수집된 데이터를 재분석해야 할 수도 있습니다. 새로운 특징 플롯(feature plot)을 기반으로 새로운 채널과 주파수를 선택하십시오. 피험자가 과제에 능숙해지기까지 여러 번의 시행 또는 여러 세션이 필요할 수 있습니다.

이 이미지들은 어떤 채널과 주파수 빈을 선택해야 하는지 나타내는 캘리브레이션 절차의 R-제곱 값과 두피 토포그래피를 보여줍니다. 커서 제어를 위해, 훈련된 피험자는 1~2초 이내에 표시된 목표 지점으로 커서를 빠르게 이동시킬 수 있어야 합니다. 지금까지 뇌-컴퓨터 인터페이스를 구성하여 EEG를 수집하고, 사용자가 자신의 뇌 활동을 이용해 가상 커서를 제어하도록 훈련시키는 방법을 살펴보았습니다.

이 시스템의 사용법을 익히는 데 많은 훈련 시간이 필요할 수 있다는 점을 유념하는 것이 중요하지만, 끈기 있게 노력한다면 거의 누구나 배울 수 있습니다. 이것으로 모든 설명을 마치겠습니다. 시청해 주셔서 감사하며, 여러분의 실험에 좋은 결과가 있기를 바랍니다.