文摘
脑-机接口测量大脑产生的电能转换成命令发送到一台机器。然而,它往往是很难判断速度用户将能够执行一个任务使用一个脑机接口没有在现实的情况下测试。事件叫做Cybathlon 2016,我们组织了一个脑机接口种族,参与者两胳膊和腿麻痹脑-机接口用于导航电脑游戏中的一个障碍。本文总结了赛车游戏,参与者使用的技术,和比赛结果。我们的比赛证明,脑-机接口可以帮助人们完成一个任务,但如果发生错误也可以几乎没用。在未来,赛车游戏可以用来比较不同的脑机接口技术和研究这种接口的性能影响因素,改善技术铺平了道路。
什么是脑-机接口和他们通常如何使用?
如果你能控制机器和你什么想法?这听起来像科幻小说,但它实际上是科学领域的焦点脑-机接口(bci)。bci测量大脑产生的电力,然后检查电信号模式可能表明意图,或者大脑试图让身体做的。的人好像都是有用的工具不能移动他们的肢体。这些人可以使用bci来控制轮椅(1)或写消息(2]。然而,由于大脑的电是软弱,必须从头皮表面的测量(不是在头骨),好像很难从电气测量准确地识别人的意图。
那么如何评估一个BCI知道如果它是有用的在现实世界中吗?研究人员通常收集大脑测量和存储在电脑上,然后使用这些测量比较不同BCI软件识别“最佳”软件(3]。然而,这只能让研究人员确定一个BCI对预先录制好的合适的告诉他们如何快速、准确地一个人可以与BCI执行一项任务。残疾人的一个事件,被称为Cybathlon2016年(4),我们组织了一个BCI的种族,不同的BCI技术可以对速度相比用户可以使用每个技术完成一个电脑化的赛车游戏5]。这是第一个比较不同的BCI方法在“现实世界”:虽然在时间的压力下完成任务在一个嘈杂的环境。
什么样的bci被允许在竞争吗?
因为我们想在一个公平的方式,比较不同好像我们规则的bci类型可以使用。我们允许bci测量大脑活动在不破坏皮肤或刺激大脑。虽然有几种不同的技术,满足这些标准,我们所有的竞争对手使用bci的基础上脑电图(EEG)。脑电图是一种方法,它使用小电极在头皮上记录大脑的电活动。竞争对手可以使用他们想要尽可能多的电极和电极可以用厚的凝胶创造更好的与皮肤接触。
BCI,脑电图电极通过电缆连接到计算机,“读”的电气测量,并将它们转换成数字值。而竞争对手可以使用任何软件从脑电图测量获得有用的信息,他们都使用软件组成的四个阶段(6]:
- 过滤:清洁测量删除“噪音”引起的眼睛和头部的运动。
- 特征提取:减少了大量的测量,只提供最重要的信息。
- 模式识别:查找模式减少测量,确定用户想要做什么:没有命令,命令1 (spin),命令2(跳),或命令3(幻灯片)。
- 输出:发送确认命令的赛车游戏。
具体的软件用于每个阶段不同于竞争对手的竞争对手,这对BCI的性能有着巨大的影响。
生成命令,用户必须考虑具体的事情,导致大脑电活动的特定模式的BCI可以识别脑电图测量。在大多数情况下,这些具体的想法是关于移动身体的某一部分。例如,参与者会考虑移动命令1的左臂,移动命令的右臂2,行走命令3。在某些情况下,竞争对手使用的心理意象。例如,参与者会做数学的命令1。
赛车游戏
BrainRunners游戏(由苏黎世大学艺术和苏黎世联邦理工学院,瑞士)所示图1。这个游戏让四人使用bci来控制在赛道上竞争的化身。游戏是专为bci,可以发送三个不同的命令。因此,跟踪有四种类型的字段(导航条件):
- 没有输入字段,没有发送命令,
- 旋转风(青色),用户应该发送“旋转”命令来加速。
- 障碍(紫色),用户应将“跳”命令来跳过块。
- 激光(黄色),用户应将“幻灯片”命令滑下的激光。
- 图1 - BrainRunners游戏的一个屏幕快照,它允许四人竞赛机器人化身在平行的轨道上。
- 每个跟踪由不同的“行动”领域,竞争对手的应该使用脑机接口发送正确的命令来加速他们的化身(“自旋”青色,紫色的“跳”,“幻灯片”黄色),以及灰色“没有输入”字段,竞争对手不应该使用脑机接口。瑞士苏黎世大学开发的游戏的艺术。
如果一个用户发送了错误的命令(例如,“跳”在激光领域或在没有输入任何命令字段),《阿凡达》减慢。这个设计是使用,因为好像有时候发送命令的机器,即使用户不希望他们。
我们的竞争对手
好像大多是供人使用四肢瘫痪(无法移动胳膊或腿),因为好像对这些个人使用电脑提供了一种方法。每个小组包括一组科学家和一个四肢瘫痪的人,他是飞行员。科学家们开发和建立了BCI,飞行员玩。Cybathlon 2016, 11个团队来自世界各地参加了BCI竞赛。具体来说,团队隶属于洛桑联邦理工内梅亨大学、埃塞克斯大学、达姆施塔特涂,高丽大学,Neurobotics,阿尔斯特大学Mahidol大学Pazmany彼得天主教大学,你格拉茨,高等Superiore里昂。飞行员27-56岁,都遭受脊髓损伤。
Cybathlon,我们第一次有三个资格比赛有四个飞行员/种族。每个字段类型的赛道上包括四个(没有输入、风、障碍、激光)以随机的顺序。最快四个飞行员先进的最后一个,而接下来的四个最快飞行员B-final先进。飞行员与bci所示的照片图2,3。
- 图2 -飞行员使用他的脑机接口控制BrainRunners游戏。
- 前视图。来源:苏黎世ETH /亚历桑德罗·德拉贝拉。帽的头把红色和黄色电极,电极和电缆的飞行员的胸部电脑。
- 图3——飞行员使用脑机接口控制BrainRunners游戏。
- 后面的观点。来源:苏黎世ETH /亚历桑德罗·德拉贝拉。电极(黑白色的边缘和中心五彩缤纷的底部)举行的一个特别的帽子,和黑色电缆将电极连接到电脑。
比赛结果
BrainRunners竞赛大约需要200年代如果飞行员不发送一个命令通过BCI-the阿凡达最终到达终点线,只是更慢。资格,最好的球队(洛桑联邦理工)在90年代完成了比赛,而最差的球队需要的196年代。在最后,洛桑联邦理工又赢了,125年代的时候。有几个团队绩效差异的资格和决赛的例子中,一个团队完成所需的资格在123年代190年代的决赛。
比赛了,好像可以非常有效。的最短完成时间赛跑(90年代)远低于所需的时间如果飞行员不发送一个命令(200年代)。然而,当错误发生时,好像可以几乎无用时,最大完成时间是196年代,几乎比如果飞行员没有发送任何命令。因此,它是至关重要的继续开发健壮的和准确的BCI技术。
比赛的一个缺点是,我们无法弄清楚为什么一个BCI设备比另一个更有效。使用的“最佳”和“最差”竞争对手类似的硬件和软件,因此比赛时间的差异可能是由于用户的情绪或培训完成了BCI的数量。在未来,我们将更详细地研究这些因素。我们还将研究速度相同的比赛就可以完成不同类型的接口,如向一个眼动跟踪而不是BCI。
可能的改进和使用bci
虽然我们只测试了BCIs BrainRunners赛车游戏,他们有许多用途。正如前面提到的,好像已经四肢瘫痪的人用来控制轮椅(1和写消息2]。在未来Cybathlon事件,我们可以想象人们使用bci来驱动轮椅通过障碍课程,而不是玩电脑游戏!好像也不必局限于人们tetraplegia-science小说作者所写的故事甚至宇宙飞船使用bci来控制机器人。这些东西当然可能一旦BCIs得到改进。
目前,bci主要限于脑电图所提供的信息量。由于脑电图是软弱和吵闹,好像是缓慢和不精确。当使用BCI类型,例如,用户只能每分钟大约10个字符类型。因此,好像今天所使用的主要是四肢瘫痪的人谁不能使用键盘。然而,未来bci希望能够从大脑获得更详细的信息,允许更精确的命令和制造技术对每个人都有吸引力。
结论
我们BrainRunners游戏是一种有效的方法来测量的有效性BCI技术,因为它可以连接到任何BCI和提供了一个易于理解的结果(完成比赛所需要的时间)。Cybathlon,我们证明了一些好像比其他人更有效,比赛完成倍范围从90到196年代。在未来,我们可以模拟在BrainRunners不同的场景,例如,增加惩罚的时间发送错误的命令。
作为我们的比赛是第一个主要的比较BCI技术在现实的场景中,我们认为,这种技术会被用于研究和商业开发人员来评估自己的BCI的有效性。此外,BrainRunners游戏可以用来研究不同因素如何影响BCI的性能。这将使科学家能够获得完整的图片不同的因素如何影响不同的BCI在某些人群,为更广泛的在日常生活中使用BCI技术。
术语表
脑机接口:↑机器,上面写着一个人的大脑的电活动,提取所需的人的意图,并将这些信息发送给计算机。
Cybathlon:↑事件,残疾人参加不同种族的帮助下技术。
Electroence-Phalography (EEG):↑测量大脑的电活动的过程使用头皮上的电极。
电极:↑一块材料,导电,是放置在一个人或动物从身体测量电信号。电极使用电缆连接到计算机。
四肢瘫痪:↑无法移动胳膊和腿。
利益冲突声明
所有的作者都是2016年Cybathlon组织团队的一部分。尽管Cybathlon是一个非营利活动,作者不应被视为独立观察员的事件。
原始的文章
↑诺瓦克,D。,Sigrist, R., Gerig, N. J., Wyss, D., Bauer, R., Götz, U., et al. 2018. Benchmarking brain-computer interfaces outside the laboratory: the Cybathlon 2016.前面。>。11:756。doi: 10.3389 / fnins.2017.00756
引用
[1]↑卡尔森,T。,and Millán, J. del R. 2013. Brain-controlled wheelchairs: a robotic architecture.IEEE机器人。奥特曼。玛格。20:65 - 73。doi: 10.1109 / MRA.2012.2229936
[2]↑卖家,e·W。,Ryan d B。,and Hauser, C. K. 2014. Noninvasive brain-computer interface enables communication after brainstem stroke.科学。Transl。地中海。6:257re7。doi: 10.1126 / scitranslmed.3007801
[3]↑Tangermann, M。,Müller, K.-R., Aertsen, A., Birbaumer, N., Braun, C., Brunner, C., et al. 2012. Review of the BCI competition IV.前面。>。55。doi: 10.3389 / fnins.2012.00055
[4]↑不懂,r . 2016。Cybathlon促进残疾人辅助技术的发展。j . Neuroeng。Rehabil。13:49。doi: 10.1186 / s12984 - 016 - 0157 - 2
[5]↑诺瓦克,D。,Sigrist, R., Gerig, N. J., Wyss, D., Bauer, R., Götz, U., et al. 2018. Benchmarking brain-computer interfaces outside the laboratory: the Cybathlon 2016.前面。>。11:756。doi: 10.3389 / fnins.2017.00756
[6]↑Blankertz B。富冈,R。、Lemm年代。,Kawanabe, M., and Muller, K.-R. 2008. Optimizing spatial filters for robust EEG single-trial analysis.IEEE信号的过程。玛格。25:41-56。doi: 10.1109 / MSP.2008.4408441