Usando um EEG-Based Interface Cérebro-Computador para Movimento do Cursor Virtual com BCI2000

Uma interface cérebro-computador ou BCI funciona traduzindo um sinal neural, como o eletroencefalograma ou EEG, em um sinal que pode ser usado para controlar um computador ou outro dispositivo. O procedimento começa com a fixação do capuz de eletrodos de EEG no couro cabeludo do sujeito para registrar a atividade cerebral. Em seguida, pede-se ao sujeito que imagine vários movimentos voluntários com as mãos e os pés, momento em que é realizado um procedimento de calibração, o qual analisa as características do EEG resultantes desse procedimento de calibração.

Os valores de R-quadrado e a tomografia do couro cabeludo podem ser utilizados para determinar quais eletrodos e intervalos de frequência serão usados para orientar um cursor na tela do computador. Os participantes poderão então mover rapidamente um cursor para áreas-alvo apenas pensando nisso. Olá, sou Adam Wilson, e trabalho no laboratório de Justin Williams no Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade de Wisconsin-Madison.

Hoje compartilharei o procedimento para registrar a atividade cerebral chamado eletroencefalograma ou EEG, para controlar uma aplicação de interface cérebro-computador. Vamos começar. Você inicia este protocolo conectando eletrodos de EEG ao couro cabeludo do sujeito por meio de um capacete de EEG, que posiciona os eletrodos de acordo com o sistema internacional 10-20.

Para posicionar corretamente o capuz no couro cabeludo do sujeito, use uma caneta de ponta porosa para marcar o nasion, que é a interseção dos ossos frontais e nasais, e o inion, a maior saliência do osso occipital. Encontre o ponto médio entre o nasion e o inion e marque-o. Esta posição é chamada de vértex.

Localize o eletrodo CZ no capuz e posicione-o no vértex mantendo o CZ fixo. Encaixe o capuz na cabeça. Certifique-se de que os eletrodos FCz e PZ estejam na linha média do couro cabeludo, de que os eletrodos O1 a O2 estejam horizontais e alinhados com Oz, e de que FP1 a FP2 estejam nivelados com FPZ.

Agora, fixe o eletrodo de referência, que normalmente é preso em um lóbulo da orelha. Agora que os eletrodos foram colocados corretamente, é necessário garantir que haja um bom contato elétrico com o couro cabeludo. Para isso, primeiro aspira-se o gel condutor em uma pequena seringa com agulha de ponta romba.

Em seguida, insira a agulha em um eletrodo e esfregue suavemente o couro cabeludo com a agulha para remover qualquer pele morta. Comece com o eletrodo de referência auricular e repita para todos os eletrodos, incluindo o terra, preenchendo o eletrodo com uma pequena quantidade de gel. Tenha cuidado para não encher em excesso.

Verifique as impedâncias de todos os canais, que devem ser todas inferiores a cinco quilohms. Seu método variará dependendo do seu sistema de amplificação. Para isso, com o amplificador GUSB no BCI 2000, você deve alterar o parâmetro modo de aquisição para impedância e pressionar definir configuração para consultar os valores de impedância de todos os canais.

Se um eletrodo apresentar uma impedância maior que cinco quilohms, insira novamente a agulha e abras mais o couro cabeludo para reforçar a conexão. Em seguida, verifique novamente a impedância. Agora o capuz de EEG está pronto para a gravação.

Para começar, configure o sistema de computador para o modo de dois monitores. Inicie o BCI 2000 a partir do lançador do BCI 2000 selecionando o módulo de fonte do amplificador, o módulo de processamento de sinal simulado e o módulo de apresentação do estímulo. Adicione os arquivos de parâmetros para o seu sujeito, o amplificador e as tarefas de triagem motora, que você deve configurar previamente antes da sessão; a tela estará ou em branco ou exibirá uma instrução, como mão direita, mão esquerda, ambas as mãos ou ambos os pés, por três segundos de cada vez.

Durante cada movimento de três segundos, o indivíduo deve imaginar continuamente o movimento indicado. Os movimentos das mãos devem consistir em abrir e fechar as mãos como se estivesse apertando uma bola de tênis, e os movimentos dos pés devem consistir em mover os pés para frente e para trás como se estivesse pressionando um pedal de acelerador com ambos os pés. Quando a tela estiver em branco, o indivíduo deve relaxar completamente o corpo durante a execução.

Repita cada parte do corpo 20 vezes e realize cinco execuções, totalizando cem pontos de dados. Agora você pode analisar os dados para determinar as características do EEG únicas para cada movimento imaginado. Agora que você concluiu a coleta dos dados de triagem, é hora de usar a ferramenta de análise offline do BCI 2000 para determinar quais características no sinal de EEG os usuários são capazes de modular voluntariamente.

A ferramenta de análise offline converte o sinal de EEG no domínio da frequência, onde é possível determinar quais canais e quais características de frequência no sinal apresentaram correlação máxima com as tarefas. Para iniciar a análise, execute o programa de matemática e navegue até a pasta de análise offline do BCI 2000, e então inicie o programa. Utilize o programa para determinar quais características de EEG estão fortemente correlacionadas com cada movimento.

Para cada movimento, plote os dados e, em seguida, identifique os gráficos com os maiores valores de R-quadrado ou com a correlação mais forte. Em seguida, você pode usar os canais e as faixas de frequência com os maiores valores de R-quadrado como sinais de controle para mover o cursor em uma direção específica. Por exemplo, configure características que variam na condição da mão direita para mover o cursor para o lado direito da tela.

Ao analisar seus dados, certifique-se de que os canais e frequências escolhidos sejam compatíveis com as propriedades conhecidas dos ritmos corticais sensorimotores. Por exemplo, você deve observar mudanças significativas correspondentes ao movimento imaginado da mão direita sobre a córtex motora contralateral próxima a C3 e CP três, centradas aproximadamente em oito a 12 hertz e/ou 18 a 28 hertz, respectivamente. Se essas localizações e valores forem diferentes, então provavelmente você mediu ruído ou algum efeito aleatório e não deveria configurar esse ritmo específico como uma característica de controle.

Para cada condição, escolha o número do canal e os intervalos de frequência com os quatro maiores valores de R-quadrado. Com esses valores em mãos, você pode configurar o sistema para a tarefa de controle do cursor. Agora que você determinou as características correlacionadas com cada movimento imaginado, é hora de configurar o sistema de IBC para usar essas características no controle do movimento do cursor.

Primeiro, vamos configurar a sessão de movimento do cursor no lançador do BCI 2000 selecionando o módulo de fonte do amplificador, o módulo de processamento de sinal AR e o módulo de tarefa. Primeiro, configure o filtro espacial com uma referência média comum. Para fazer isso, pressione config no operador do BCI 2000 para exibir a lista de configurações e pressione a aba de filtragem.

Vá para filtragem espacial e altere a caixa suspensa do tipo de filtro espacial para referência média comum ou CAR em filtro espacial, saída CAR. Liste os nomes ou números dos canais que você selecionou na sessão de calibração. Em seguida, configure a matriz de classificação para usar as características que você selecionou na guia de filtragem.

Vá até o parâmetro do classificador e pressione editar matriz. Defina o número de colunas como quatro e o número de linhas como o total de características selecionadas. Cada linha da matriz corresponde a uma característica individual.

No primeiro campo, insira todos os nomes dos canais. No segundo campo, insira as faixas de frequência selecionadas para controlar cada movimento. No terceiro campo, o canal de saída, insira o movimento do cursor controlado pela característica.

Um valor de um corresponde ao movimento horizontal e dois corresponde ao movimento vertical. Os canais C3, CP três, C quatro e CP quatro devem ser definidos como um para o controle horizontal do cursor. A tarefa C3, CP três, C quatro, CP quatro e CZ deve ser definida como dois para uma tarefa de controle vertical do cursor.

Por fim, na quarta coluna, insira o peso da característica, que corresponde à direção oposta pretendida. Por exemplo, para mover o cursor para a direita, você deve definir C3 e CP3 como menos um, e para movê-lo para a esquerda, você deve definir C4 e CP4 como um. Da mesma forma, para mover o cursor para baixo, você deve definir CZ e CPZ como um, e para mover o cursor para cima, você deve definir C3 e C4 como menos um.

Agora que você configurou o sistema com as configurações corretas, é hora de iniciar a tarefa experimental. Realize os ensaios em uma sala com iluminação fraca e com uma cadeira confortável para o sujeito. Durante os ensaios, o sujeito deve manter ao mínimo os movimentos.

Para reduzir artefatos, haverá pausas entre as tentativas. Nas primeiras tentativas, restrinja o cursor ao eixo do alvo. Ou seja, se o alvo estiver na parte superior ou inferior, é possível mover o cursor apenas para cima ou para baixo; e se estiver à esquerda ou à direita da tela, o sujeito só poderá mover o cursor para a esquerda ou para a direita.

Um dos alvos aparece por um segundo. O cursor aparece no centro da tela. O sujeito então tem cinco segundos para usar os movimentos imaginados apropriados para direcionar o cursor até o alvo.

Se o sujeito atingir o alvo, ele muda de cor; após cinco segundos sem acerto, a sessão expira e é contada como erro. Após a tentativa, há um intervalo intertentativa de dois segundos, durante o qual o sujeito pode relaxar, piscar, engolir ou ajustar a posição. Após 20 tentativas, o VCI 2000 entra em estado suspenso. Durante esse período, pode ser necessário reajustar algumas configurações se o sujeito não conseguir mover o cursor.

Se, após quatro execuções, o sujeito ainda não conseguir mover o cursor, pode ser necessário reanalisar os dados coletados na ferramenta de análise offline do BCI 2000. Selecione os novos canais e frequências com base nos novos gráficos de características. Pode ser necessário várias execuções ou possivelmente várias sessões antes que um sujeito consiga dominar a tarefa.

Essas imagens mostram os valores de R-quadrado e a topografia do couro cabeludo para o procedimento de calibração, indicando quais canais e intervalos de frequência devem ser selecionados. Para o controle do cursor, um sujeito treinado deve ser capaz de mover rapidamente o cursor até o alvo mostrado em um ou dois segundos. Acabamos de mostrar como configurar uma interface cérebro-computador para coletar EEGs e treinar um usuário para controlar um cursor virtual utilizando sua atividade cerebral.

É importante lembrar que pode ser necessário muito treinamento para alguém aprender a usar este sistema, mas com alguma persistência, quase qualquer pessoa pode aprender a utilizá-lo. Assim sendo, é isso. Obrigado por assistir e boa sorte com seus experimentos.