文摘
迄今为止,大多数研究使用脑磁图描记术(MEG)依靠离线分析大脑活动的时空特性。梅格实时反馈可能受益基础和临床研究的多个领域:脑机接口,neurofeedback中风和脊髓损伤的康复治疗,和新的自适应模式的设计。我们已经开发出一种软件界面实时流梅格信号从306 -通道Elekta Neuromag梅格系统外部工作站。信号可以用最小的访问延迟(≤45女士)数据采样1000赫兹时,这对大多数实时研究是充分的。我们这里也显示,实时成像可以通过展示实时监控和反馈alpha-band力量的波动在parieto-occipital和额叶区域。接口提供了学术社区作为一个开源资源。
1。介绍
离线分析的脑磁图描记术(MEG)数据被应用到一个广泛的基础和临床神经科学问题(见,例如,1,2])。能够实时处理和分析梅格数据可能会打开新的机会为神经科学研究和创新的临床应用。例如,自适应模式(或最优实验设计3,4])将受益于捕捉梅格实时测量的可能性,例如,选择最有效的刺激类型,或需要确定哪些刺激类的集合更多重复,以提高分类精度的情况下识别的状态解码任务。此外,实时neurofeedback可以用来训练科目调节某些特定空间和动态特性的神经活动的脑机接口(BMI)应用程序。从临床的角度来看,neurofeedback训练可能有助于促进卒中后神经可塑性加强幸免皮质脊髓的途径或脊髓损伤5,6]。
而系统使用实时反馈与不同的梅格机器之前描述(7- - - - - -11),这项工作提出了一种软件界面(“rtMEG”)旨在获取信号从一个Elekta Neuromag设备实时。它提供了以下附加功能对前面描述的软件(12]。(我)这个版本的软件界面更健壮和更好地集成到标准梅格采集系统。例如,它执行数据采集使用指定的参数设置通过定期采集软件界面。此外,数据流与适当的通道校准和排序。在不久的将来,用户还可以选择与在线信号空间流数据投影(SSP) [13]降噪被应用,而目前这一转变应该执行客户机工作站。(2)现在rtMEG接口将数据写入缓冲(实地考察14),而不是集成到BCI2000管道。实地考察缓冲区包含一个开源服务器程序持续运行,提供了一个共享内存缓冲区rtMEG写数据。虽然可以流数据BCI2000前实现,软件还需要rtMEG运行。在当前实现中,研究人员可以自由使用任何解决方案,他们支持通过运行考察缓冲rtMEG中实现和使用代码免费在线[15从缓冲区读取)。此外,研究人员可以选择使用任何实地考察工具用于离线分析的在线设置。使用实地考察缓冲的另一个优点是独立的操作系统。在rtMEG虽然缓冲区已经实现,用户仍然可以运行它外部在Windows下,MacOS, Linux / Unix使用软件提供的实地考察开发商(相比之下,BCI2000主要是运行在Windows上)。最后,考察缓冲区提供的灵活性与其他常用的软件包(BCI2000 [16],Brainstream [17)等),因为从缓冲区读取的代码是免费在线(15),研究人员可以很容易地集成到自己的定制解决方案。(3)rtMEG可以修改和编译使用开源软件。
重要的是要注意,虽然rtMEG接口并不取决于BCI2000了(12),它仍然能够与后者。事实上,BCI2000可以从实地考察缓冲区读取通过实地考察缓冲源模块或远程数据访问流接口。
我们描述的系统设置和测试进行评估访问数据流的延迟。然后我们就收购延误和显示结果说明这项技术与实时源估计neurofeedback实验。我们的讨论结束的几个场景我们预见rtMEG接口可能有用。
2。方法
接口开发函数与标准梅格收购,而不影响正常的工作流程。在一个典型的场景(图1),一个专门的计算机运行的主要采集软件和节省了梅格的文件系统上的数据。rtMEG界面运行在这次收购操作和工作站与标准并行采集软件。
在一个典型的实验环境中,一个单独的计算机控制刺激交付。刺激可能由多个类别(听觉、视觉等)。同步刺激电脑发送与事件相关的触发脉冲通过并行端口的发作刺激的记录文件。
rtMEG写数据到实地考察缓冲,可以由rtMEG本身或由任何其他计算机收购位于相同的网络计算机(例如,刺激的电脑)。这个缓冲区可以阅读使用Matlab [18)(实地考察脚本)或另一个首选的解决方案(见代码公开可用的实地考察网站(15])。同样,计算机读取缓冲区可以同计算机托管缓冲区,或任何其他计算机在同一网络。
2.1。实施的细节和分布
在通常的设置中,每个数字信号处理器(DSP)单元管理12频道梅格机器,和每通道发送数据包包含28个样本由每个DSP的实时计算机,重新排列和同步数据,高度的元,校准系数和采样率等。收购计算机,也rtMEG运行,接收到的数据实时计算机。当使用典型抽样率(< 1.5 kHz),数据被发送到计算机在放弃收购约1 s,通常对应于一个相当大的和不可接受的延迟实时应用。然而,rtMEG可以减少块的大小,一个下界的28个样本,通过重新配置实时计算机,从而大大减少平均交通数据的延迟。
接收到的数据的实时计算机然后存储在一个本地共享内存缓冲区使用不同Neuromag项目,如在线可视化。rtMEG利用本地缓冲区,读取数据,和写他们实地考察缓冲,然后可以轻易读懂不同的客户使用一个开源格式。这个考察缓冲区可以由rtMEG本身在一个单独的线程,或由一个单独的计算机网络。
rtMEG是用C写的,所有使用TCP / IP网络通信完成。源代码提供了研究社区在Gnu公共许可证(GPL)并存储在实地考察源代码控制存储库。文档(19已经写在实地考察Wiki。二进制文件为hp - ux和Linux平台还为用户提供方便。
2.2。评估数据访问延迟
梅格实时应用程序通常依赖最小系统延迟,和rtMEG接口需要仔细评估在这方面。我们测量来完成相关的延迟反馈回路如下。我们记录了306梅格频道和3刺激通道1 kHz。这些数据被写入到实地考察缓冲区内实现rtMEG然后读通过网络由一个单独的Linux计算机。数据写入和读取缓冲区每29个样品。收购软件将生成一个脉冲(方波)的刺激触发通道每500毫秒(从零水平上升到“2”价值,坚持为100毫秒,然后归零)。Linux计算机上运行一个简单的C程序,设计编写并行端口的逻辑“1”每次检测到变化是触发通道,和一个逻辑“0”。并行端口映射在一个不同的刺激引发的数据通道。因为梅格系统获得同步信号,这种形式的测试使用触发器输入的象征系统中数据访问延迟。延迟测量随着时间的区别出现“1”——Linux电脑回应变化在扳机上,“2”标记的实际发生变化的数据; see Figure2(一个)。
(一)
(b)
2.3。实时反馈和梅格源成像
实时业务的主要目标是为主体提供衡量他/她的大脑活动。证明和评价这一技术的概念,设计一个实验报告正在进行的变化区域的大脑活动相关的行为。这个目标是具有挑战性的,因为它暗示(1)数据采集和格式化,和(2)源建模正在进行的大脑活动,是可以实现的。据我们所知,这后一种功能没有被证明与脑电图或梅格迄今为止。这里,我们设计了一个简单的范例的主题是20年代段交替休息用眼睛关闭或打开。听觉线索提供了主题,让他知道什么时候打开或关闭他的眼睛。这是一个非常可靠和健壮的现象,阿尔法8—13赫兹()振荡的振幅较强背侧顶叶和枕后闭着眼睛是大脑区域与开放。
实时评估正在进行的α权力执行超过一组的皮质感兴趣的区域(roi),从个体的大脑解剖一个预定义的主题。所涵盖的roi背侧顶叶和枕后(PO)皮层和划定使用头脑风暴(20.)(图4(a))。定义一个额外的ROI前和背外侧前额叶皮层,与α的水平权力parieto-occipital地区观测到的变化。的皮质表面得到t1加权MRI体积(1.5 T, SPGR序列,体素的大小:毫米3;视野:使用BrainVISA(毫米)21]。梅格数据采集和分析进行了Froedtert &威斯康星医学院(美国密尔沃基)使用306 -通道Elekta Neuromag梅格系统。
整个录音时间持续了10分钟,由一个短基线运行10,紧随其后的是3分130秒。主题的头部位置测量每个初由梅格系统提供的软件。头部位置的短基线运行使用了头所需建模和逆源建模步骤持续梅格皮质来源估计数据的访问。两个步骤都是在大约2分钟完成使用头脑风暴后基线运行了。头使用overlapping-sphere建模进行分析方法(22]。线性成像内核从头脑风暴的加权和皮质约束minimum-norm估计(WMNE) [23]随后获取并存储在内存中。因为WMNE是一个线性,固定来源估计方法,源信号很容易从每个实时数据缓冲区访问通过简单地完成成像矩阵乘法的内核与传感器数据时间序列或傅里叶系数。在我们的研究中,这是进一步降低目标roi提取的基本来源,相当于大约750电流偶极子。
为每个500 -段女士,α的权力范围在阿宝ROI计算傅里叶系数的每750年的基本来源。这些都是通过应用成像内核运行的快速傅里叶变换(FFT)系数的传感器数据。的力量在每一个ROI因此由之和的傅里叶系数的大小8—13赫兹的范围在整个组基本来源形成的ROI。执行这个operation-magnitude累计时间的产物成像的内核,傅里叶系数梅格传感器数据的常规工作站上100 ms Matlab运行。
内核和傅氏域成像方法的整体效益是向前的耗时的步骤和逆建模进行离线。缺点是这些模型的不准确性由于会话期间累积的头部动作。这些运动评价的测量头位置收集每个初3的反馈。
最先进的梅格收购可能还包括积极的去噪技术,要求在线和离线处理步骤。梅格的情况下安装在这项研究中,使用标准的数据采集管道包括(1)的在线应用信号空间投影(SSP)来弥补一些环境干扰源的空间格局和(2)的离线应用信号空间分离(SSS)技术(24),充分受益于最新一代的单层磁屏蔽房间。图3细节我们在目前的研究中使用的方法评估结果的偏差的实时数据采集和分析从传统的来源,优化管道离线仅仅是可存取的。
(一)
(b)
实时视觉反馈的水平α权力目标roi的主题处理后提供给每个数据段女士500 -刺激电脑主机的实地考察缓冲(见图4(a))。这些测量大脑活动被保存到磁盘文件,转换为视觉显示提供给主题通过视频投影系统(60 hz刷新率)。在睁着眼睛部分,主题是指示试图最大化视觉测量的水平,这是索引的逆α振荡的力量在目标roi(数字4(b)和4(c))。
3所示。结果
以下部分描述结果而引入的测量数据访问延迟rtMEG接口数据流,结果观察,同时提供实时反馈的alpha-band功率调制。
3.1。延迟测量
平均延迟访问数据测量,它同时对渠道的数量是通过网络传播。没有注意到变化后几分钟的系统不断地收集数据。期间观察到的延迟的直方图代表测量如图2 (b)。结果的变化是由于变化之间的异步触发通道和29-sample缓冲区的边界。因此,理论分布应该显示平均数据访问延迟时间±29女士(1000 - hz采样率)。然而,从缓冲区读取数据的程序是为了在一个无限循环运行,当没有新数据缓冲区自上次阅读行动,这对预定的时间停顿了一下。这个睡眠时间负责的微妙差异的理论分布直方图如图2 (b)。总体结果表明,适度引入的接口延迟测量的信号,这可能是大多数梅格实时应用程序的足够短。随着时间的推移延迟的分布是一致的。
报告的延迟值以下是略高于之前被报道(12),这是合理的,因为不同的方法这两种实现访问梅格的数据。虽然之前实现收集数据直接从需求方,当前实现读取本地缓存数据的采集计算机。此外,之前的实现没有排序和校准通道作为现在的实时计算机。当前的实现是首选的,因为它提供了一个更直观更健壮的用户界面没有重复处理步骤已经可靠地实现实时计算机同时保持数据访问延迟在一个可接受的水平。
重申,这是很重要的实验测量了推迟访问数据;更复杂的实时处理可能会增加整个系统延迟。
3.2。实时成像来源
在线和离线分析显示调节的振荡阿尔法能源在阿宝地区(图5)。这些措施标准化(z分数)对基线数据段引用了前20秒每个反馈运行(主题睁着眼睛休息,看到屏幕上的十字丝)。如图5远足在基线α水平更强大和更持续的睁着眼睛在段和反馈时没有提供反馈,反馈指示一个令人鼓舞的趋势确实把主题对α水平低于基线期间,在部分没有反馈。
比较α离线和在线估计的功率调节阿宝地区定性表明没有明显改变或延迟的数据传输从采集到分析工作站,和/或最优的去噪技术应用和更准确的头/源模型(图5)。高达24.5%的差异observed-reaching均方根误差如图5则强烈依赖波动问题的头的位置随着时间的推移,最大达到12.5毫米(见图6)。
4所示。结论
梅格实时信号分析研究开辟了新的可能性的大脑功能。潜在的应用包括以下。(我)基础研究。梅格的实时可视化数据在源空间(在大脑表面)质量保证和快速测量的解释。动态和自适应模式,主题的大脑状态可能是条件刺激。(2)脑机接口。我们之前的离线梅格的研究表明,我们可以从梅格信号解码的目的运动方向和准确定位皮层区域代表此类信息实时BMI操作(25]。实时功能,它将有利于那些将要动手术把梅格作为工具来本地化的最佳位置网站ECoG网格获得实时BMI控制。此外,研究人员可能会测试各种神经加工、解码和用户培训范式“动态”梅格在单个会话。(3)临床。实时neurofeedback训练可以促进神经可塑性(5,6]。通过rtMEG-BMI的操作系统,用户可以学会主动调节或改变他们的大脑活动7,8),诱导神经可塑性的恢复运动功能或提高对实验鼠的控制。
本文描述一个软件解决方案,使简单的实时访问梅格从任何计算机连接到当地的网络信号。我们证明了推迟访问数据,这个软件是最小的,并且访问机制轻易就能实时源建模。
确认
作者感谢匹兹堡大学医学中心(UPMC),先进的脑磁源成像中心(CABMSI)提供的扫描时间梅格数据收集。他们特别感谢太太安娜Haridis博士为由Bagic UPMC CABMSI协助梅格设置和数据收集。他们也要感谢Stefan Klanke和罗伯特Oostenveld为援助与实地考察的交互缓冲区。这部分工作由NSF eec - 0540865合作协议,美国陆军(TATRC)协议w81xwh - 07 - 1 - 0716,格兰特和5号UL1 RR024153和KL2 RR024154从NCRR NIH,和一个特殊的格兰特高级副总理办公室的匹兹堡大学的健康科学,以及一个学生旅游基金中心的神经认知的基础。提供额外的资金支持的国家卫生研究院的基金NIBIB (1 r01eb007749)和研究所(1 r21ns056136) d·j·韦伯和法国国家研究机构(国家倒说是)ViMAGINE项目(anr - 08 -上海步浪- 0250)美国Baillet。