BCI2000 Sanal İmleç Hareketi için bir EEG Tabanlı Beyin-Bilgisayar Arayüzü

Bir beyin-bilgisayar arayüzü veya BCI, elektroensefalogram veya EEG gibi nöral bir sinyali, bir bilgisayarı veya başka bir cihazı kontrol etmek için kullanılabilecek bir sinyale dönüştürerek çalışır. Prosedür, beyin aktivitesini kaydetmek için EEG elektrot başlığının deneğin kafa derisine takılmasıyla başlar. Ardından deneyden elleri ve ayaklarıyla birkaç gönüllü hareket hayal etmesi istenir; bu sırada, kalibrasyon prosedürünün sonucunda EEG özelliklerini analiz eden bir kalibrasyon işlemi gerçekleştirilir.

R-kare değerleri ve kafa derisi tomografisi, bilgisayar ekranındaki bir imleci yönlendirmek için hangi elektrotların ve frekans kutularının kullanılacağını belirlemek amacıyla kullanılabilir. Denekler böylece sadece düşünerek bir imleci hedef bölgelere hızlıca hareket ettirebilecektir. Merhaba, ben Adam Wilson; University of Wisconsin-Madison Biyomedikal Mühendisliği Bölümü'nde, Justin Williams'ın laboratuvarında çalışıyorum.

Bugün, bir beyin-bilgisayar arayüzü uygulamasını kontrol etmek amacıyla, elektroensefalogram veya EEG olarak adlandırılan beyin aktivitesini kaydetme prosedürünü paylaşacağım. Öyleyse başlayalım. Bu protokole, elektrotları 10-20 uluslararası sistemine göre konumlandıran bir EEG başlığı aracılığıyla denekle kafa derisine EEG elektrotlarını bağlayarak başlarsınız.

Başlığı denekle ilgili kafa derisine doğru şekilde yerleştirmek için, frontal nazal kemiklerin kesişim noktası olan nasionu ve oksipital kemiğin en büyük çıkıntısı olan inionu işaretlemek için keçeli kalem kullanın. Nasion ile inion arasındaki orta noktayı bulun ve işaretleyin. Bu konum vertex olarak adlandırılır.

Bone şapka üzerindeki CZ elektrodunu bulun ve CZ'yi sabit tutarak tepe noktasına konumlandırın. Şapkayı başa geçirin. FCz ve PZ elektrotlarının kafa derisinin orta hattında, O1 ve O2 elektrotlarının yatay ve Oz ile aynı seviyede, FP1 ve FP2 elektrotlarının ise FPz ile aynı seviyede olduğundan emin olun.

Şimdi, genellikle bir kulak memesine tutturulan referans elektrodu takın. Elektrotlar uygun şekilde yerleştirildikten sonra, kafa derisi ile düzgün bir elektriksel temas kurulduğundan emin olunmalıdır. Bunun için öncelikle küt uçlu bir iğneye sahip küçük bir şırınga ile iletken jel çekilir.

Ardından iğneyi bir elektrodun içine yerleştirin ve ölü deriyi temizlemek için iğne ile saç derisini nazikçe aşındırın. Kulak referans elektrodu ile başlayıp toprak elektrodu da dahil olmak üzere tüm elektrotlar için işlemi tekrarlayın ve elektrodu az miktarda jel ile doldurun. Fazla doldurmamaya dikkat edin.

Tüm kanallar için empedansları kontrol edin; tüm değerler beş kilo ohm'un altında olmalıdır. İzleyeceğiniz yöntem, amplifikatör sisteminize göre değişiklik gösterecektir. BCI 2000'deki GUSB amp ile bunu yapmak için, veri toplama modu parametresini empedans olarak değiştirin ve tüm kanallar için empedans değerlerini sorgulamak üzere "set config" düğmesine basın.

Bir elektrodun empedansı beş kilo ohm'dan büyükse, iğneyi tekrar yerleştirin ve bağlantıyı güçlendirmek için kafa derisini biraz daha aşındırın. Ardından empedansı yeniden kontrol edin. Artık EEG başlığı kayıt için hazırdır.

Başlamak için bilgisayar sistemini çift monitör modunda yapılandırın. Amplifikatör kaynak modülünü, sahte sinyal işleme modülünü ve uyaran sunum modülünü seçerek BCI 2000'i BCI 2000 başlatıcısından çalıştırın. Denek, amplifikatör ve motor tarama görevleri için önceden yapılandırmış olmanız gereken parametre dosyalarını ekleyin; oturum sırasında ekran ya boş kalır ya da her seferinde üç saniye boyunca sağ el, sol el, her iki el veya her iki ayak gibi bir talimat görüntüler.

Her üç saniyelik hareket boyunca, denek belirtilen hareketi sürekli olarak hayal etmelidir. El hareketleri, bir tenis topunu sıkıyormuş gibi ellerin açılıp kapanması; ayak hareketleri ise her iki ayakla gaz pedalına basıyormuş gibi ayakların ileri geri hareket ettirilmesi şeklinde olmalıdır. Ekran boş olduğunda, denek bir çalışma boyunca vücudunu tamamen rahat bırakmalıdır.

Her bir vücut bölümünü 20 kez tekrarlayın ve toplam yüz veri noktası elde etmek için beş deneme gerçekleştirin. Artık her bir hareket hayal etme işlemine özgü EEG özelliklerini belirlemek için verileri analiz edebilirsiniz. Tarama verilerini toplama işlemini tamamladığınıza göre, kullanıcıların EEG sinyalindeki hangi özellikleri gönüllü olarak modüle edebildiklerini belirlemek için BCI 2000 çevrimdışı analiz aracını kullanma zamanı geldi.

Çevrimdışı analiz aracı, EEG sinyalini; hangi kanalların ve sinyaldeki hangi frekans özelliklerinin görevlerle maksimal düzeyde korele olduğunu belirleyebileceğiniz frekans düzlemine dönüştürür. Analize başlamak için math lab programını başlatın, BCI 2000 çevrimdışı analiz klasörüne gidin ve ardından programı çalıştırın. Hangi EEG özelliklerinin her bir hareketle güçlü şekilde korele olduğunu belirlemek için programı kullanın.

Her hareket için verileri grafiğe dökün, ardından en yüksek R-kare değerlerine veya en güçlü korelasyona sahip grafikleri belirleyin. Daha sonra, en yüksek R-kare değerlerine sahip kanalları ve frekans aralıklarını, imleci belirli bir yöne hareket ettirmek için kontrol sinyalleri olarak kullanabilirsiniz. Örneğin, imleci ekranın sağ tarafına taşımak için sağ el durumuyla değişen öznitelikler ayarlayın.

Verilerinizi analiz ederken, seçilen kanalların ve frekansların kortikal duyusal motor ritimlerin bilinen özellikleriyle tutarlı olduğundan emin olun. Örneğin, C3 ve CP3 yakınlarındaki kontralateral motor korteks üzerinde, hayal edilen sağ el hareketine karşılık gelen anlamlı değişiklikleri sırasıyla 8 ila 12 hertz ve/veya 18 ila 28 hertz civarında görmelisiniz. Eğer bu konumlar ve değerler farklıysa, muhtemelen gürültü veya rastgele bir etki ölçmüşsünüzdür ve söz konusu ritmi bir kontrol özelliği olarak yapılandırmamanız gerekir.

Her koşul için, en büyük dört R-kare değerine sahip kanal numarasını ve frekans kutularını seçin. Bu değerleri belirledikten sonra, sistemi imleç kontrol görevi için yapılandırabilirsiniz. Her bir Hayal etme hareketle korele olan özellikleri belirlediğinize göre, artık BCI sistemini bu özellikleri imleç hareketini kontrol etmek için kullanacak şekilde kurma zamanı geldi.

İlk olarak, amplifikatör kaynak modülünüzü, AR sinyal işleme modülünüzü ve görev modülünüzü seçerek BCI 2000 başlatıcısındaki imleç hareket oturumunu yapılandıracağız. İlk olarak, ortak ortalama referanslı uzamsal filtreyi yapılandırın. Bunun için, ayarlar listesini açmak üzere BCI 2000 operatöründeki yapılandır (config) düğmesine basın ve filtreleme (filtering) sekmesine tıklayın.

Uzamsal filtreleme (spatial filtering) bölümüne gidin ve uzamsal filtre türü açılır kutusunu, uzamsal filtre altındaki CAR çıktı seçeneğiyle ortak ortalama referans veya CAR olarak değiştirin. Kalibrasyon oturumunda seçtiğiniz kanal isimlerini veya numaralarını listeleyin. Ardından, sınıflandırma matrisini, filtreleme sekmesi altında seçtiğiniz özellikleri kullanacak şekilde yapılandırın.

Sınıflandırıcı parametresine gidin ve matrisi düzenle düğmesine basın. Sütun sayısını dört ve satır sayısını seçilen toplam özellik sayısına ayarlayın. Her bir matris satırı, tek bir özelliğe karşılık gelir.

İlk sütuna tüm kanal adlarını girin. İkinci sütuna, her bir hareketi kontrol etmek için seçtiğiniz frekans kutularını (bins) girin. Üçüncü sütuna, çıkış kanalı olarak özelliğin kontrol ettiği imleç hareketini girin.

Bir değeri yatay harekete, iki değeri ise dikey harekete karşılık gelir. Yatay imleç kontrolü için C3, CP3, C4 ve CP4 kanalları bir olarak ayarlanmalıdır. Dikey imleç kontrolü görevi için C3, CP3, C4, CP4 ve CZ iki olarak ayarlanmalıdır.

Son olarak, dördüncü sütuna, hedeflenen ters yöne karşılık gelen özellik ağırlığını girin. Örneğin, imleci sağa hareket ettirmek için C3 ve CP üç değerlerini eksi bir olarak, sola hareket ettirmek için ise C dört ve CP dört değerlerini bir olarak girmelisiniz. Benzer şekilde, imleci aşağı hareket ettirmek için CZ ve CPZ değerlerini bir, yukarı hareket ettirmek için ise C3 ve C dört değerlerini eksi bir olarak girmelisiniz.

Sistemi doğru ayarlarla yapılandırdığınıza göre, artık deneysel görevi başlatma zamanı geldi. Denemeleri, denek için rahat bir sandalyenin bulunduğu, loş aydınlatılmış bir odada gerçekleştirin. Denemeler sırasında denek, hareketlerini minimumda tutmalıdır.

Artifaktları azaltmak için denemeler arasında aralar verilecektir. İlk denemeler için imleci hedef ekseniyle sınırlandırın. Yani hedef üstte veya alttaysa, imleci yalnızca yukarı veya aşağı hareket ettirmek mümkün olur; eğer hedef ekranın solunda veya sağındaysa, denek imleci yalnızca sola veya sağa hareket ettirebilir.

Hedeflerden biri bir saniye boyunca görünür. İmleç ekranın ortasında belirir. Ardından deneğe, imleci hedefe yönlendirmek için uygun hayali hareketleri kullanması için beş saniye süre verilir.

Denek hedefe vurduğunda, beş saniye boyunca vuruş gerçekleşmezse renk değişir, oturum zaman aşımına uğrar ve bu durum bir ıskalama olarak sayılır. Deneme sonrası, deneğin rahatlayabileceği, göz kırpabileceği, yutkunabileceği veya konumunu yeniden ayarlayabileceği iki saniyelik bir denemeler arası aralık vardır; 20 denemeden sonra VCI 2000 askıya alınmış duruma geçer. Bu süre zarfında, deneğin imleci hareket ettirememesi durumunda bazı ayarları yeniden düzenlemeniz gerekebilir.

Dört denemeden sonra denek hâlâ imleci hareket ettiremiyorsa, toplanan verileri BCI 2000 çevrimdışı analiz aracında yeniden analiz etmeniz gerekebilir. Yeni özellik grafikleri üzerinden yeni kanalları ve frekansları seçin. Bir deneğin görevde yetkin hale gelmesi birkaç deneme veya muhtemelen birkaç oturum sürebilir.

Bu görüntüler, hangi kanalların ve frekans aralıklarının seçilmesi gerektiğini belirten kalibrasyon prosedürüne ait R-kare değerlerini ve saçlı deri topografyasını göstermektedir. İmleç kontrolü için, eğitimli bir deneğin imleci gösterilen hedefe bir veya iki saniye içinde hızla hareket ettirebilmesi gerekir. Sizlere, EEG'ler toplamak için bir beyin bilgisayar arayüzünün nasıl yapılandırılacağını ve bir kullanıcının beyin aktivitelerini kullanarak sanal bir imleci kontrol etmesi için nasıl eğitileceğini göstermiş olduk.

Birinin bu sistemi nasıl kullanacağını öğrenmesinin kapsamlı bir eğitim gerektirebileceğini unutmamak önemlidir, ancak biraz kararlılıkla hemen hemen herkes bunu öğrenebilir. Şimdilik anlatacaklarım bu kadar. İzlediğiniz için teşekkürler, deneylerinizde başarılar dilerim.