Met behulp van een EEG-Based Brain-Computer Interface voor virtuele cursor Movement met BCI2000

Een brein-computerinterface of BCI functioneert door een neuraal signaal, zoals het elektro-encefalogram of EEG, te vertalen naar een signaal dat kan worden gebruikt om een computer of ander apparaat aan te sturen. De procedure begint met het bevestigen van de EEG-elektrodenkap op de hoofdhuid van de proefpersoon om de hersenactiviteit te registreren. De proefpersoon wordt vervolgens gevraagd zich verschillende vrijwillige bewegingen van de handen en voeten voor te stellen, waarna een kalibratieprocedure wordt uitgevoerd die de kenmerken van het EEG analyseert als resultaat van deze kalibratieprocedure.

De R-kwadraatwaarden en de schedeltomografie kunnen worden gebruikt om te bepalen welke elektroden en frequentiebins worden ingezet om een cursor op het computerscherm te besturen. Proefpersonen zullen vervolgens in staat zijn om een cursor snel naar doelgebieden te bewegen, puur door eraan te denken. Hallo, ik ben Adam Wilson en ik werk in het laboratorium van Justin Williams bij de afdeling Biomedical Engineering van de University of Wisconsin-Madison.

Vandaag deel ik de procedure voor het registreren van hersenactiviteit via het elektro-encefalogram of EEG voor het aansturen van een hersen-computerinterface-applicatie. Laten we beginnen. U start dit protocol door EEG-elektroden via een EEG-kap op de hoofdhuid van de proefpersoon te plaatsen, waarbij de elektroden worden gepositioneerd volgens het internationale 10-20-systeem.

Om de cap correct op de hoofdhuid van het subject te positioneren, gebruikt u een viltstift om het nasion (het snijpunt van de frontale en nasale beenderen) en het inion (de grootste uitstulping van het os occipitale) te markeren. Bepaal het middelpunt tussen het nasion en het inion en markeer dit. Deze positie wordt het vertex genoemd.

Zoek de CZ-elektrode op de kap en positioneer deze op de vertex terwijl CZ gefixeerd blijft. Schuif de kap over het hoofd. Zorg ervoor dat de FCz- en PZ-elektroden zich op de middellijn van de hoofdhuid bevinden, dat de O1- tot O2-elektroden horizontaal en op gelijke hoogte met Oz liggen, en dat FP1 tot FP2 op gelijke hoogte met FPz liggen.

Bevestig nu de referentie-elektrode, die gewoonlijk op een oorlel wordt geklemd. Nu de elektroden correct zijn geplaatst, moet men ervoor zorgen dat er een goed elektrisch contact met de hoofdhuid is gemaakt. Hiervoor wordt eerst geleidende gel opgezogen in een kleine spuit met een stompe naald.

Steek vervolgens de naald in een elektrode en schraap voorzichtig de hoofdhuid met de naald om dode huidcellen te verwijderen. Begin met de referentie-elektrode bij het oor en herhaal dit voor alle elektroden, inclusief de aardelektrode, en vul de elektrode met een kleine hoeveelheid gel. Pas op dat u deze niet te vol vult.

Controleer de impedanties voor alle kanalen; deze moeten allemaal lager zijn dan 5 kΩ. De methode hiervoor varieert afhankelijk van uw versterkersysteem. Om dit te doen met de GUSB-versterker in BCI 2000, wijzigt u de parameter voor de acquisitiemodus naar impedantie en drukt u op 'set config' om de impedantiewaarden voor alle kanalen op te vragen.

Als een elektrode een impedantie heeft van meer dan vijf kilo ohm, steek de naald dan opnieuw in en abradeer de hoofdhuid verder om de verbinding te verbeteren. Controleer vervolgens de impedantie opnieuw. Nu is de EEG-kap klaar voor de opname.

Om te beginnen, configureert u het computersysteem voor de modus met dubbele monitor. Start BCI 2000 via de BCI 2000-launcher door uw versterkerbronmodule, de dummy-signaalverwerkingsmodule en de stimuluspresentatiemodule te selecteren. Voeg de parameterbestanden toe voor uw proefpersoon, de versterker en de motorische screeningstaken; deze dient u vooraf tijdens de sessie te configureren. Het scherm is vervolgens ofwel leeg, of toont gedurende drie seconden per keer een instructie zoals rechterhand, linkerhand, beide handen of beide voeten.

Tijdens elke beweging van drie seconden moet de proefpersoon de aangegeven beweging continu visualiseren. De handbewegingen moeten bestaan uit het openen en sluiten van de handen, zoals bij het knijpen in een tennisbal, en de voetbewegingen moeten bestaan uit het heen en weer bewegen van de voeten, zoals bij het indrukken van een gaspedaal met beide voeten. Wanneer het scherm leeg is, moet de proefpersoon het lichaam tijdens een run volledig ontspannen.

Herhaal elk lichaamsdeel 20 keer en voer vijf runs uit voor een totaal van honderd datapunten. Nu kunnen de gegevens worden geanalyseerd om de EEG-kenmerken te bepalen die uniek zijn voor elke voorgestelde beweging. Nu de screeninggegevens zijn verzameld, is het tijd om de BCI 2000 offline analysetool te gebruiken om vast te stellen welke kenmerken in het EEG-signaal de gebruikers vrijwillig kunnen moduleren.

De offline analysetool zet het EEG-signaal om in het frequentiedomein, waar u kunt bepalen welke kanalen en welke frequentiekenmerken in het signaal maximaal gecorreleerd waren met de taken. Om de analyse te starten, opent u het math lab-programma, navigeert u naar de map voor BCI 2000 offline analyse en start u vervolgens het programma. Gebruik het programma om vast te stellen welke EEG-kenmerken sterk gecorreleerd zijn met elke beweging.

Zet voor elke beweging de gegevens uit in een grafiek en zoek vervolgens de plots met de hoogste R-kwadraatwaarden of de sterkste correlatie. U kunt de kanalen en frequentiebins met de hoogste R-kwadraatwaarden vervolgens gebruiken als controlesignalen om de cursor in een bepaalde richting te bewegen. Stel bijvoorbeeld kenmerken in die veranderen bij de conditie voor de rechterhand om de cursor naar de rechterkant van het scherm te verplaatsen.

Zorg er bij het analyseren van uw gegevens voor dat de gekozen kanalen en frequenties consistent zijn met de bekende eigenschappen van corticale sensorimotorische ritmes. Zo zou u significante veranderingen moeten zien die overeenkomen met een voorgestelde beweging van de rechterhand over de contralaterale motorische cortex nabij C3 en CP3, respectievelijk gecentreerd rond 8 tot 12 hertz en of 18 tot 28 hertz. Als deze locaties en waarden afwijken, heeft u waarschijnlijk ruis of een willekeurig effect gemeten en mag u dat specifieke ritme niet configureren als een controlekenmerk.

Kies voor elke conditie het kanaalnummer en de frequentiebins met de vier grootste R-kwadraatwaarden. Met deze waarden kunt u het systeem configureren voor de taak voor cursorbesturing. Nu u de kenmerken heeft bepaald die correleren met elke Imagine-beweging, is het tijd om het BCI-systeem zo in te stellen dat deze kenmerken worden gebruikt om de cursorbeweging te besturen.

Eerst configureren we de sessie voor cursorbeweging in de BCI 2000 launcher door uw versterker-bronmodule, AR-signaalverwerkingsmodule en taakmodule te selecteren. Configureer vervolgens het ruimtelijke filter met een common average reference. Doe dit door op 'config' te klikken in de BCI 2000 operator om de instellingenlijst te openen en daarna op het tabblad 'filtering' te klikken.

Ga naar ruimtelijke filtering en wijzig het vervolgkeuzemenu voor het type ruimtelijk filter naar common average reference of CAR onder ruimtelijk filter, CAR-output. Vermeld de kanaalnamen of -nummers die u in de kalibratiesessie heeft geselecteerd. Configureer vervolgens de classificatiematrix om de kenmerken te gebruiken die u onder het tabblad filtering heeft geselecteerd.

Ga naar de classifier-parameter en klik op 'edit matrix'. Stel het aantal kolommen in op vier en het aantal rijen op het totale aantal geselecteerde kenmerken. Elke rij van de matrix komt overeen met een individueel kenmerk.

Voer in de eerste kolom alle kanaalnamen in. Voer in de tweede kolom de frequentiebins in die u heeft geselecteerd om elke beweging aan te sturen. Voer in de derde kolom, het uitgangskanaal, de cursorbeweging in die door de feature wordt aangestuurd.

Een waarde van één komt overeen met horizontale beweging en twee komt overeen met verticale beweging. De kanalen C3, CP3, C4 en CP4 moeten op één worden ingesteld voor horizontale cursorbesturing. De taak C3, CP3, C4, CP4 en CZ moet op twee worden ingesteld voor een taak met verticale cursorbesturing.

Voer ten slotte in de vierde kolom het kenmerkgewicht in, dat correspondeert met de tegenovergestelde beoogde richting. Om de cursor bijvoorbeeld naar rechts te verplaatsen, moeten C3 en CP3 als min één worden ingevoerd, en om deze naar links te verplaatsen, moeten C4 en CP4 als één worden ingevoerd. Om de cursor op dezelfde manier naar beneden te verplaatsen, moeten CZ and CPZ als één worden ingevoerd, en om de cursor omhoog te verplaatsen, moeten C3 en C4 als min één worden ingevoerd.

Nu u het systeem met de juiste instellingen heeft geconfigureerd, is het tijd om de experimentele taak te starten. Voer de proeven uit in een gedimde kamer met een comfortabele stoel voor de proefpersoon. Tijdens de proeven dient de proefpersoon bewegingen tot een minimum te beperken.

Om artefacten te verminderen, worden er pauzes tussen de trials ingelast. Beperk bij de eerste trials de cursor tot de as van het doelwit. Dat wil zeggen dat wanneer het doelwit zich bovenaan of onderaan bevindt, het alleen mogelijk is om de cursor omhoog of omlaag te bewegen, en wanneer het doelwit zich links of rechts van het scherm bevindt, de proefpersoon de cursor alleen naar links of rechts kan bewegen.

Een van de doelen verschijnt gedurende één seconde. De cursor verschijnt in het midden van het scherm. De proefpersoon heeft vervolgens vijf seconden de tijd om met de juiste voorgestelde bewegingen de cursor naar het doel te sturen.

Indien de proefpersoon het doel raakt, verandert dit van kleur. Na vijf seconden zonder een treffer verloopt de sessietijd en wordt dit geteld als een misser. Na de trial volgt een inter-trial interval van twee seconden waarin de proefpersoon kan ontspannen, knipperen, slikken of anderszins de positie kan aanpassen. Na 20 trials gaat de VCI 2000 over in een gepauzeerde toestand. Tijdens deze tijd is het mogelijk dat u enkele instellingen moet aanpassen als de proefpersoon niet in staat is de cursor te bewegen.

Als de proefpersoon na vier runs de cursor nog steeds niet kan bewegen, moet u de verzamelde gegevens mogelijk opnieuw analyseren in de BCI 2000 offline analysetool. Selecteer de nieuwe kanalen en frequenties op basis van de nieuwe feature-plots. Het kan meerdere runs of mogelijk meerdere sessies duren voordat een proefpersoon vaardig wordt in de taak.

Deze afbeeldingen tonen de R-kwadraatwaarden en de hoofdhuidtopografie voor de kalibratieprocedure, wat aangeeft welke kanalen en frequentiebanden geselecteerd moeten worden. Voor de cursorbesturing zou een getrainde proefpersoon in staat moeten zijn om de cursor binnen één of twee seconden snel naar het getoonde doel te bewegen. We hebben zojuist gedemonstreerd hoe u een brain-computer interface kunt configureren om EEG's te verzamelen en hoe u een gebruiker kunt trainen om een virtuele cursor aan te sturen met behulp van hun hersenactiviteit.

Het is belangrijk om te onthouden dat het veel training kan kosten voordat iemand leert hoe dit systeem moet worden gebruikt, maar met wat doorzettingsvermogen kan bijna iedereen het leren. Dat is alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.