Использование ЭЭГ основе интерфейса мозг-компьютер для виртуальных движения курсора с BCI2000

Интерфейс «мозг-компьютер» (ИМК) функционирует путем преобразования нейронного сигнала, такого как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), в сигнал, который может быть использован для управления компьютером или другим устройством. Процедура начинается с закрепления шлема с ЭЭГ-электродами на коже головы испытуемого для регистрации активности мозга. Затем испытуемого просят представить несколько произвольных движений руками и ногами; в это время выполняется процедура калибровки, в ходе которой анализируются характеристики ЭЭГ, полученные в результате этой калибровки.

Значения R-квадрат и томография скальпа могут быть использованы для определения того, какие электроды и частотные диапазоны будут задействованы для управления курсором на экране компьютера. Таким образом, испытуемые смогут быстро перемещать курсор в целевые области, просто думая об этом. Здравствуйте, меня зовут Адам Уилсон, я работаю в лаборатории Джастина Уильямса на кафедре биомедицинской инженерии Висконсинского университета в Мэдисоне.

Сегодня я представлю процедуру регистрации мозговой активности, называемую электроэнцефалограммой или ЭЭГ, для управления приложением интерфейса «мозг-компьютер». Итак, приступим. Данный протокол начинается с подключения ЭЭГ-электродов к коже головы испытуемого с помощью ЭЭГ-шапочки, которая позволяет расположить электроды в соответствии с международной системе 10-20.

Для правильного размещения шлема на коже головы испытуемого используйте фломастер, чтобы отметить назион (nasion) — точку пересечения лобной и носовых костей — и инион (inion), самую выступающую точку затылочной кости. Найдите и отметьте точку, расположенную посередине между назионом и инионом. Эта позиция называется теменем (vertex).

Найдите электрод CZ на шапочке и расположите его на макушке. Удерживая CZ неподвижно, наденьте шапочку на голову. Убедитесь, что электроды FC, CZ и PZ находятся на срединной линии скальпа, электроды от O1 до O2 расположены горизонтально и на одном уровне с OZ, а электроды от FP1 до FP2 находятся на одном уровне с FPZ.

Теперь закрепите референсный электрод, который обычно прикрепляется к мочке уха. После правильного размещения электродов необходимо убедиться в наличии надлежащего электрического контакта с кожей головы. Для этого сначала в небольшой шприц с иглой с тупым концом набирают электропроводящий гель.

Затем вставьте иглу в электрод и осторожно потрите кожу головы иглой, чтобы удалить омертвевшие клетки эпидермиса. Начните с референтного электрода на ухе и повторите процедуру для всех остальных электродов, включая заземляющий, после чего заполните электрод небольшим количеством геля. Старайтесь не переполнять его.

Проверьте импеданс всех каналов; он должен составлять менее 5 кОм. Способ проверки зависит от используемой вами системы усиления. Для этого с помощью усилителя GUSB в BCI 2000 измените параметр режима сбора данных на «impedance» и нажмите «set config», чтобы получить значения импеданса для всех каналов.

Если импеданс электрода превышает 5 кОм, повторно введите иглу и дополнительно проведите абрадзию кожи головы для улучшения контакта. Затем снова проверьте импеданс. Теперь ЭЭГ-шлем готов к записи.

Для начала настройте компьютерную систему для работы в режиме двух мониторов. Запустите BCI 2000 через программу-загрузчик BCI 2000, выбрав модуль источника вашего усилителя, модуль фиктивной обработки сигнала и модуль предъявления стимулов. Добавьте файлы параметров для испытуемого, усилителя и задач моторного скрининга, которые следует настроить заранее; во время сеанса экран либо остается пустым, либо в течение трех секунд отображает такую инструкцию, как «правая рука», «левая рука», «обе руки» или «обе стопы».

Во время каждого трехсекундного движения испытуемый должен непрерывно представлять indicated movement. Движения кистями рук должны имитировать открывание и закрывание ладоней, как при сжатии теннисного мяча, а движения стопами — перемещение ног вперед и назад, как при нажатии обеими ногами на педаль газа. Когда экран пуст, испытуемый должен полностью расслабить тело во время прогона.

Повторите воздействие на каждую часть тела 20 раз и проведите пять серий испытаний, чтобы получить в общей сложности сто точек данных. Теперь можно проанализировать данные для определения характеристик ЭЭГ, уникальных для каждого воображаемого движения. После завершения сбора данных скрининга приступайте к использованию инструмента офлайн-анализа BCI 2000, чтобы определить, какие характеристики сигнала ЭЭГ пользователи способны модулировать произвольно.

Инструмент для офлайн-анализа преобразует сигнал ЭЭГ в частотную область, что позволяет определить, какие каналы и какие частотные характеристики сигнала максимально коррелировали с выполняемыми задачами. Чтобы начать анализ, запустите программу math lab, перейдите в папку офлайн-анализа BCI 2000 и запустите приложение. Используйте программу, чтобы определить, какие характеристики ЭЭГ сильно коррелируют с каждым движением.

Для каждого движения постройте график данных, затем выберите графики с наибольшими значениями R-квадрат или наиболее сильной корреляцией. Затем вы можете использовать каналы и частотные диапазоны с наибольшими значениями R-квадрат в качестве управляющих сигналов для перемещения курсора в определенном направлении. Например, настройте признаки, которые изменяются при условии движения правой рукой, для перемещения курсора в правую часть экрана.

При анализе данных убедитесь, что выбранные каналы и частоты соответствуют известным свойствам сенсомоторных ритмов коры головного мозга. Например, при воображаемом движении правой рукой должны наблюдаться значимые изменения над контралатеральной моторной корой в области C3 и CP3, сосредоточенные, соответственно, в диапазонах от 8 до 12 hertz и/или от 18 до 28 hertz. Если локализация и значения отличаются, вероятно, вы измерили шум или какой-либо случайный эффект, и такой конкретный ритм не следует использовать в качестве контрольного признака.

Для каждого состояния выберите номер канала и частотные интервалы с четырьмя наибольшими значениями коэффициента детерминации R-squared. Используя эти значения, вы сможете настроить систему для выполнения задачи по управлению курсором. Теперь, когда вы определили признаки, коррелирующие с каждым воображаемым движением, пришло время настроить систему ИМК для использования этих признаков при управлении перемещением курсора.

Сначала мы настроим сеанс перемещения курсора в лаунчере BCI 2000, выбрав модуль источника вашего усилителя, модуль обработки сигналов AR и модуль задачи. Сначала настройте пространственный фильтр с общим средним опорным сигналом. Для этого нажмите «config» в операторской панели BCI 2000, чтобы вызвать список настроек, и перейдите на вкладку «filtering».

Перейдите в раздел пространственной фильтрации (spatial filtering) и в выпадающем списке типов пространственных фильтров выберите общую среднюю референсную систему (common average reference) или CAR в подразделе «пространственный фильтр, выход CAR» (spatial filter, CAR output). Перечислите названия или номера каналов, выбранных вами во время сеанса калибровки. Затем настройте матрицу классификации, чтобы использовать признаки, выбранные вами на вкладке фильтрации (filtering tab).

Перейдите к параметру классификатора и нажмите «редактировать матрицу» (edit matrix). Установите количество столбцов равным четырем, а количество строк — общему числу выбранных признаков. Каждая строка матрицы соответствует отдельному признаку.

В первом столбце введите все названия каналов. Во втором столбце введите частотные интервалы, которые вы выбрали для управления каждым движением. В третьем столбце, «выходной канал», укажите перемещение курсора, которое контролируется данной функцией.

Значение один соответствует горизонтальному перемещению, а два — вертикальному. Для управления курсором по горизонтали каналы C3, CP3, C4 и CP4 должны быть установлены на значение один. Для управления курсором по вертикали каналы C3, CP3, C4, CP4 и CZ должны быть установлены на значение два.

Наконец, в четвертом столбце введите вес признака, соответствующий противоположному предполагаемому направлению. Например, чтобы переместить курсор вправо, следует установить C3 и CP3 как минус один, а чтобы переместить его влево — C4 и CP4 как один. Аналогично, для перемещения курсора вниз следует установить CZ и CPZ как один, а для перемещения курсора вверх — C3 и C4 как минус один.

Теперь, когда вы настроили систему с помощью подходящих параметров, можно приступать к выполнению экспериментального задания. Проводите испытания в слабоосвещенном помещении, обеспечив испытуемому удобное кресло. Во время испытаний испытуемый должен максимально ограничить свои движения.

Для уменьшения количества артефактов между пробами будут предусмотрены перерывы. В первых пробах ограничьте движение курсора осью, на которой находится цель. То есть, если цель расположена сверху или снизу, перемещение курсора возможно только вверх или вниз, а если цель находится слева или справа от экрана, испытуемый может перемещать курсор только влево или вправо.

Одна из мишеней появляется на одну секунду. Курсор появляется в центре экрана. Затем испытуемому дается пять секунд, чтобы с помощью соответствующих воображаемых движений направить курсор к мишени.

Если испытуемый попадает в цель, она меняет цвет. Если в течение пяти секунд попадания не происходит, сессия прерывается по тайм-ауту и засчитывается как промах. После завершения пробы следует двухсекундный межпробный интервал, в течение которого испытуемый может отдохнуть, моргнуть, сглотнуть или иным образом скорректировать положение. После 20 проб VCI 2000 переходит в режим ожидания. В это время может потребоваться повторная настройка некоторых параметров, если испытуемый не может перемещать курсор.

Если после четырех прогонов испытуемый все еще не может перемещать курсор, может потребоваться повторный анализ собранных данных в инструменте офлайн-анализа BCI 2000. Выберите новые каналы и частоты на основании новых графиков признаков. Для того чтобы испытуемый овладел данной задачей, может потребоваться несколько прогонов или даже несколько сессий.

На этих изображениях представлены значения коэффициента детерминации (R-squared) и топография скальпа для процедуры калибровки, указывающие, какие каналы и частотные диапазоны следует выбрать. Для управления курсором подготовленный испытуемый должен уметь быстро переместить курсор к показанной цели в течение одной или двух секунд. Мы только что продемонстрировали вам, как настроить интерфейс «мозг-компьютер» для сбора ЭЭГ и как обучить пользователя управлять виртуальным курсором с помощью активности мозга.

Важно помнить, что обучение работе с этой системой может занять много времени, но при определенном упорстве практически каждый сможет в ней освоиться. На этом всё. Спасибо за просмотр и удачи в ваших экспериментах.