Wykorzystanie interfejsu mózg-komputer opartego na EEG do wirtualnego poruszania kursorem przy użyciu BCI2000

Interfejs mózg-komputer, znany jako BCI, działa poprzez tłumaczenie sygnału neuronalnego, takiego jak elektroencefalogram (EEG), na sygnał, który może być wykorzystany do sterowania komputerem lub innym urządzeniem. Procedura rozpoczyna się od założenia badanemu na skórę głowy czepka z elektrodami EEG w celu rejestracji aktywności mózgu. Następnie badany zostaje poproszony o wyobrażenie sobie kilku ruchów dowolnych dłońmi i stopami; w tym czasie przeprowadzana jest procedura kalibracji, która analizuje charakterystykę zapisu EEG uzyskanego w wyniku tego procesu.

Wartości R-kwadrat oraz tomografia skóry głowy mogą zostać wykorzystane do określenia, które elektrody i przedziały częstotliwości posłużą do sterowania kursorem na ekranie komputera. Dzięki temu badani będą mogli szybko przesuwać kursor w obszary docelowe za pomocą samej myśli. Cześć, nazywam się Adam Wilson i pracuję w laboratorium Justina Williamsa w Katedrze Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.

Dzisiaj przedstawię procedurę rejestracji aktywności mózgu zwaną elektroencefalografią lub EEG, służącą do sterowania aplikacją interfejsu mózg-komputer. Zacznijmy zatem. Protokół ten rozpoczyna się od podłączenia elektrod EEG do skóry głowy badanego za pomocą czepka EEG, który pozycjonuje elektrody zgodnie z międzynarodowym systemem 10-20.

Aby prawidłowo dopasować czepek do skóry głowy badanego, należy za pomocą pisaka zaznaczyć nasion, czyli punkt przecięcia kości czołowej z kośćmi nosowymi, oraz inion, będący największą wypukłością kości potylicznej. Należy wyznaczyć i zaznaczyć punkt znajdujący się w połowie odległości między nasion a inion. Położenie to nazywa się vertex.

Zlokalizuj elektrodę CZ na czepku i umieść ją na wierzchołku głowy. Trzymając CZ w stałej pozycji, naciągnij czepek na głowę. Upewnij się, że elektrody FCz, CZ i PZ znajdują się na linii środkowej skóry głowy, że elektrody od O1 do O2 są poziome i wyrównane z OZ, a FP1 i FP2 są wyrównane z FPZ.

Następnie należy przymocować elektrodę referencyjną, która zazwyczaj jest mocowana do płatka ucha. Po prawidłowym rozmieszczeniu elektrod należy upewnić się, że uzyskano odpowiedni kontakt elektryczny ze skórą głowy. W tym celu do małej strzykawki z igłą tępą nabiera się najpierw żel przewodzący.

Następnie włóż igłę do elektrody i delikatnie zeskrob skórę głowy za pomocą igły, aby usunąć martwy naskórek. Rozpocznij od elektrody referencyjnej na uchu i powtórz czynność dla wszystkich pozostałych elektrod, w tym elektrody uziemiającej, a następnie napełnij elektrodę niewielką ilością żelu. Należy uważać, aby nie napełnić jej zbyt mocno.

Sprawdź impedancję wszystkich kanałów, która powinna wynosić mniej niż 5 kΩ. Metoda postępowania zależy od stosowanego systemu wzmacniacza. W przypadku wzmacniacza GUSB w systemie BCI 2000 należy zmienić parametr trybu akwizycji na „impedance” i nacisnąć „set config”, aby odczytać wartości impedancji dla wszystkich kanałów.

Jeśli impedancja elektrody jest większa niż 5 kΩ, należy ponownie wprowadzić igłę i dodatkowo zetrzeć naskórek, aby wzmocnić połączenie. Następnie należy ponownie sprawdzić impedancję. Teraz czepek EEG jest gotowy do rejestracji.

Aby rozpocząć, skonfiguruj system komputerowy w trybie dwóch monitorów. Uruchom program BCI 2000 za pomocą programu uruchamiającego BCI 2000, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału dummy oraz moduł prezentacji bodźców. Dodaj pliki parametrów dla badanego, wzmacniacza oraz zadań przesiewowych motorycznych, które należy skonfigurować wcześniej; podczas sesji ekran pozostaje pusty lub wyświetla instrukcję, taką jak prawa ręka, lewa ręka, obie ręce lub obie stopy, przez trzy sekundy na raz.

Podczas każdego trzysekundowego ruchu badany powinien stale wyobrażać sobie wskazany ruch. Ruchy dłoni powinny polegać na otwieraniu i zamykaniu dłoni, podobnie jak przy ściskaniu piłki tenisowej, a ruchy stóp na przesuwaniu stóp do przodu i do tyłu, podobnie jak przy naciskaniu pedału gazu obiema stopami. Gdy ekran jest pusty, badany powinien całkowicie rozluźnić ciało podczas serii.

Powtórz każdą część ciała 20 razy i przeprowadź pięć serii, aby uzyskać łącznie sto punktów danych. Teraz można przeanalizować dane w celu określenia cech EEG charakterystycznych dla każdego wyobrażonego ruchu. Po zakończeniu zbierania danych przesiewowych należy użyć narzędzia do analizy offline BCI 2000, aby ustalić, które cechy sygnału EEG użytkownicy są w stanie modulować dobrowolnie.

Narzędzie do analizy offline konwertuje sygnał EEG do dziedziny częstotliwości, co pozwala określić, które kanały i które cechy częstotliwościowe sygnału były najsilniej skorelowane z zadaniami. Aby rozpocząć analizę, uruchom program math lab, przejdź do folderu analizy offline BCI 2000, a następnie uruchom aplikację. Użyj programu, aby ustalić, które cechy EEG są silnie skorelowane z każdym z ruchów.

Dla każdego ruchu nanieś dane na wykres, a następnie znajdź wykresy z największymi wartościami R-kwadrat lub najsilniejszą korelacją. Następnie kanały i przedziały częstotliwości z największymi wartościami R-kwadrat można wykorzystać jako sygnały sterujące do przesuwania kursora w określonym kierunku. Na przykład skonfiguruj cechy, które zmieniają się w przypadku ruchu prawej ręki, aby przesuwać kursor na prawą stronę ekranu.

Podczas analizy danych należy upewnić się, że wybrane kanały i częstotliwości są zgodne ze znanymi właściwościami korowych rytmów sensoryczno-motorycznych. Na przykład w przypadku wyobrażonego ruchu prawej ręki powinny być widoczne istotne zmiany nad przeciwległą korą ruchową w pobliżu C3 i CP3, z centrami odpowiednio w zakresie od 8 do 12 Hz oraz od 18 do 28 Hz. Jeśli lokalizacje i wartości te są inne, prawdopodobnie zmierzono szum lub efekt losowy i nie należy konfigurować tego konkretnego rytmu jako cechy kontrolnej.

Dla każdego stanu wybierz numer kanału oraz przedziały częstotliwości z czterema najwyższymi wartościami R-squared. Dysponując tymi wartościami, można skonfigurować system do zadania sterowania kursorem. Po ustaleniu cech skorelowanych z każdym wyobrażonym ruchem, należy ustawić system BCI tak, aby wykorzystywał te cechy do sterowania ruchem kursora.

W pierwszej kolejności skonfigurujemy sesję ruchu kursora w programie BCI 2000 launcher, wybierając moduł źródłowy wzmacniacza, moduł przetwarzania sygnału AR oraz moduł zadania. Najpierw należy skonfigurować filtr przestrzenny z referencją wspólnej średniej (common average reference). Aby to zrobić, naciśnij przycisk config w panelu operatora BCI 2000, aby wyświetlić listę ustawień, a następnie przejdź do karty filtering.

Przejdź do filtrowania przestrzennego i w rozwijanym polu typu filtra przestrzennego wybierz wspólną referencję średnią (common average reference) lub CAR w sekcji filtr przestrzenny, wyjście CAR. Wymień nazwy lub numery kanałów wybranych podczas sesji kalibracyjnej. Następnie skonfiguruj macierz klasyfikacyjną, aby korzystała z cech wybranych w zakładce filtrowania.

Przejdź do parametru klasyfikatora i wybierz opcję edytuj macierz. Ustaw liczbę kolumn na cztery, a liczbę wierszy na całkowitą liczbę wybranych cech. Każdy wiersz macierzy odpowiada pojedynczej cease.

W pierwszej kolumnie wpisz wszystkie nazwy kanałów. W drugiej kolumnie wpisz przedziały częstotliwości wybrane do sterowania każdym ruchem. W trzeciej kolumnie, kanał wyjściowy, wpisz ruch kursora sterowany przez daną cechę.

Wartość jeden odpowiada ruchowi poziomemu, a wartość dwa ruchowi pionowemu. Kanały C3, CP3, C4 i CP4 należy ustawić na jeden w celu poziomego sterowania kursorem. Zadanie C3, CP3, C4, CP4 i CZ należy ustawić na dwa w celu pionowego sterowania kursorem.

Na koniec, w czwartej kolumnie, wprowadź wagę cechy, która odpowiada przeciwnemu zamierzonemu kierunkowi. Na przykład, aby przesunąć kursor w prawo, należy ustawić C3 i CP3 jako minus one, a aby przesunąć go w lewo, należy ustawić C4 i CP4 jako one. Podobnie, aby przesunąć kursor w dół, należy ustawić CZ i CPZ jako one, a aby przesunąć kursor w górę, należy ustawić C3 i C4 jako minus one.

Po skonfigurowaniu systemu z odpowiednimi ustawieniami można przystąpić do zadania eksperymentalnego. Próby należy przeprowadzać w słabo oświetlonym pomieszczeniu, zapewniając badanemu wygodne krzesło. Podczas prób badany powinien ograniczyć ruchy do minimum.

Aby ograniczyć występowanie artefaktów, pomiędzy próbami zostaną wprowadzone przerwy. W pierwszych próbach należy ograniczyć ruch kursora do osi celu. Oznacza to, że jeśli cel znajduje się na górze lub na dole, możliwe jest poruszanie kursorem wyłącznie w górę lub w dół, a jeśli znajduje się on po lewej lub prawej stronie ekranu, badany może poruszać kursorem tylko w lewo lub w prawo.

Jeden z celów pojawia się na jedną sekundę. Kursor pojawia się na środku ekranu. Następnie badany ma pięć sekund na zastosowanie odpowiednich wyobrażonych ruchów, aby skierować kursor w stronę celu.

Jeśli badany trafi w cel, zmienia on kolor po pięciu sekundach; w przypadku braku trafienia następuje przekroczenie czasu sesji i zdarzenie jest liczone jako chybienie. Po próbie następuje dwusekundowy odstęp między próbami, podczas którego badany może odpocząć, mrugnąć, przełknąć ślinę lub w inny sposób skorygować pozycję. Po 20 próbach urządzenie VCI 2000 przechodzi w stan zawieszenia. W tym czasie może być konieczna korekta niektórych ustawień, jeśli badany nie jest w stanie poruszać kursorem.

Jeśli po czterech próbach badany nadal nie może poruszać kursorem, może być konieczna ponowna analiza zebranych danych w narzędziu do analizy offline BCI 2000. Należy wybrać nowe kanały i częstotliwości na podstawie nowych wykresów cech. Osiągnięcie przez badanego biegłości w zadaniu może wymagać kilku prób lub nawet kilku sesji.

Obrazy te przedstawiają wartości R-kwadrat oraz topografię skóry głowy dla procedury kalibracji, wskazując, które kanały i przedziały częstotliwości należy wybrać. W przypadku sterowania kursorem, przeszkolony badany powinien być w stanie szybko przesunąć kursor do wskazanego celu w ciągu jednej lub dwóch sekund. Przedstawiliśmy właśnie sposób konfiguracji interfejsu mózg-komputer w celu rejestracji sygnałów EEG oraz przeszkolenia użytkownika w sterowaniu wirtualnym kursorem za pomocą aktywności mózgu.

Należy pamiętać, że nauka obsługi tego systemu może wymagać wielu ćwiczeń, ale dzięki wytrwałości niemal każdy jest w stanie go opanować. To wszystko. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w przeprowadzaniu eksperymentów.