[논문 리뷰] Operation of a Brain-Computer Interface Walking Simulator by Users with Spinal Cord Injury

Christine King, Po T. Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 10.

EEG and Brain-Computer Interfaces참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 척수 손상(SCI) 환자가 가상현실 환경에서 운동의미상상(KMI)을 사용하여 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 보행 시뮬레이터를 직관적이고 견고하게 제어할 수 있음을 보여준다. 단지 10분의 훈련 후, 5명의 SCI 참가자 전원이 목적 있는 자율 보행 제어를 달성했으며, 성능은 시간이 지남에 따라 향상되었고 무작위 확률을 크게 초월하여 향후 BCI 제어 하지 보조기구의 강력한 가능성임을 시사한다.

ABSTRACT

Background: Spinal cord injury (SCI) can leave the affected individuals unable to ambulate. Since there are no restorative treatments for SCI, novel approaches such as brain-controlled prostheses have been sought. Our recent studies show that a brain-computer interface (BCI) can be used to control ambulation within a virtual reality environment (VRE), suggesting that a BCI-controlled lower extremity prosthesis for ambulation may be feasible. However, the operability of our BCI has not been tested in a SCI population. Methods: Five subjects with paraplegia or tetraplegia due to SCI underwent a 10-min training session in which they alternated between kinesthetic motor imagery (KMI) of idling and walking while their electroencephalogram (EEG) were recorded. Subjects then performed a goal-oriented online task, where they utilized KMI to control the linear ambulation of an avatar and make 10 sequential stops at designated points within the VRE. Multiple online trials were performed over 5 experimental days. Results: Classification accuracy of idling and walking was estimated offline and ranged from 60.5% (p=0.0176) to 92.3% (p=1.36*10^-20) across subjects and days. In the online task, all subjects achieved purposeful control with an average performance of 7.4 +/- 2.3 successful stops in 273 +/- 51 sec (p<0.01). All subjects maintained purposeful control throughout the study, and their online performances improved over time. Conclusions: The results demonstrate that SCI subjects can purposefully operate a self-paced BCI walking simulator to complete a goal-oriented ambulation task. The operation of this BCI system requires short training, is intuitive, and robust against subject-to-subject and day-to-day neurophysiological variations. These findings indicate that BCI-controlled lower extremity prostheses for gait rehabilitation or restoration after SCI may be feasible in the future.

연구 동기 및 목표

• 척수 손상(SCI) 환자가 가상현실 환경(VRE)에서 BCI 제어 보행 시뮬레이터를 목적적으로 운영할 수 있는지 평가하기 위해.
• EEG 기반 운동의미상상(KMI) 해석을 통해 SCI 환자 집단에서 자율적이고 목표 지향적인 보행 제어를 위한 가능성 평가하기 위해.
• 척수 손상 후 대뇌 재편성과 학습으로 인한 신경생리학적 변동에도 불구하고, BCI 시스템이 참가자 간 및 시간 경과에 따라 견고한 성능을 유지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 짧은 훈련 시간으로도 SCI 사용자에게 신뢰할 수 있고 목적적인 BCI 제어를 얻을 수 있는지 평가하여 임상 적용 장벽을 줄이기 위해.

제안 방법

• 완전한 SCI로 인해 마비 또는 테트라플레기아를 앓는 참가자들이 EEG 기록 중에 정지 상태와 보행의 의미상상을 번갈아 수행하는 10분 훈련 세션을 실시했다.
• 중간 전두엽 피질 활동을 중점으로, μ 및 저주파수 범위의 β 대역에서 EEG 신호를 분류하기 위해 데이터 기반 기계학습 접근법을 사용했다.
• 온라인 목표 지향 작업은 참가자가 KMI만을 사용하여 가상현실 환경(VRE)에서 지정된 지점에 10번의 순차적 정지를 수행하도록 가상의 캐릭터를 제어하도록 요구했다.
• 분류 정확도는 교차검증 및 패턴 인식 기법(예: 클래스별 주성분 분석(CPCA) 및 피셔의 선형 판별 분석(LDA))을 사용하여 오프라인으로 추정했다.
• 복합 점수를 사용하여 성능을 평가하고, 목적 있는 제어를 확인하기 위해 무작위 보행의 몬테카를로 시뮬레이션과 비교했다.
• 첫날 2분 세션을 통해 시스템을 실시간으로 校정하여 최소한의 훈련 후 즉각적인 온라인 작동을 가능하게 했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 척수 손상(SCI) 환자가 가상현실 환경에서 운동의미상상(KMI)을 사용하여 목적 있는 자율 보행 시뮬레이터 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 SCI 사용자는 얼마나 빨리 신뢰할 수 있는 BCI 제어를 확보할 수 있으며, 반복적인 세션을 거치면서 성능이 향상되는가?
• RQ3 척수 손상 후 대뇌 재편성과 학습으로 인한 참가자 간 및 일일 신경생리학적 변동을 고려할 때, BCI 시스템이 어느 정도 이를 수용할 수 있는가?
• RQ4 BCI 시스템은 여러 실험 일자에 걸쳐 일관된 성능을 유지할 수 있을 정도로 견고한가, 장기 사용 가능성 여부를 확인하는가?
• RQ5 목표 지향적인 온라인 작업에서 SCI 사용자의 성능은 무작위 확률에 비해 어떻게 비교되는가, 수동 제어에서 관찰되는 수준에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 오프라인 분류 정확도는 참가자 및 일자 간 평균 60.5% (p = 0.0176)에서 92.3% (p = 1.36 × 10⁻²⁰)로 변동하여 강력한 분류 능력을 보였다.
• 모든 5명의 SCI 참가자 전원이 첫날 온라인 작업에서 목적 있는 제어를 달성했으며, 무작위 보행보다 유의미하게 높은 성능(p < 0.01)을 유지했고, 5일간의 연구 기간 내내 동일한 성능를 유지했다.
• 온라인 성능 평균은 세션당 7.4 ± 2.3회의 성공적 정지로, 총 273 ± 51초 동안 진행되었으며, 복합 점수는 시간이 지남에 따라 향상되어 연구 종료 시 두 참가자에서 100%에 가까워졌다.
• 참가자 간 및 일일 신경생리학적 변동에 대해 시스템은 견고성을 보였으며, 온라인 세션의 96%에서 목적 있는 제어를 유지했다.
• 데이터 기반 해석 접근법을 통해 단지 10분의 훈련과 2분의 校정만으로도 직관적이고 자율적인 제어가 가능해졌으며, 훈련 부담이 최소화됨을 시사했다.
• 참가자들이 시간이 지남에 따라 성능을 유지하고 향상시키는 능력은 BCI 시스템이 단지 작동 가능할 뿐 아니라, SCI 후 개인의 학습 및 뇌의 가소성 과정에 적응 가능함을 시사한다.