BCI-FIT optimaliseren: Brain Computer Interface - Toolkit voor functionele implementatie (BCI-FIT)

Voor elk specifiek doel zal de ontwikkeling van nieuwe ondersteunende technologie BCI-toegangsmethoden worden geëvalueerd in een of meer experimenten met behulp van single-case research design (SCRD) met alternerende behandelingen met gezonde controles en/of deelnemers met SSPI. SCRD is ideaal voor het onderzoeken van kleine, heterogene populaties, zoals personen met SSPI. Het maakt gedetailleerd onderzoek mogelijk van prestatietrends en veranderingen in de loop van de tijd, en voor deelnemerspecifieke aanpassingen aan de interventie als onderdeel van een iteratief ontwerpproces. Omdat elke deelnemer als zijn eigen controle fungeert, is een steekproef van vijf voldoende om een ​​eerste effect aan te tonen en te repliceren. Zie het gedeelte Statistisch ontwerp en vermogen voor aanvullende informatie over SCRD en gegevensvisualisatie en -analyse.

In totaal zullen 60 deelnemers de BCI-verbeteringen evalueren; 15 personen met SSPI en 45 controles. Deelnemers met SSPI die momenteel beschikken over een betrouwbaar communicatiemiddel, hetzij met behulp van spraak en/of een OC-apparaat, worden ingeschreven. Alle deelnemers zullen in de leeftijd van 18-89 jaar zijn (NIH-gedefinieerde volwassenen), met een gelijk aantal mannen en vrouwen. Gezonde controles worden gematcht op leeftijd, geslacht en opleidingsniveau. In SCRD-onderzoeken fungeert elke deelnemer als zijn eigen controle, dus deelnemers zullen alle basislijn- en interventiecondities ervaren die in elk afzonderlijk onderzoek zijn opgenomen, zoals hieronder beschreven. De volgorde van de condities zal willekeurig zijn in de alternerende behandelingen, zodanig gecontroleerd dat elke deelnemer een gelijk aantal sessies voltooit bij elke interventie, met niet meer dan twee opeenvolgende sessies met dezelfde interventie. Blindering is niet mogelijk, aangezien elke proefpersoon zijn toestand moet kennen in een afwisselend behandelontwerp.

Alle studiebezoeken met mensen met SSPI zullen door OHSU-medewerkers bij de deelnemers thuis worden uitgevoerd. Studiebezoeken met gezonde controles vinden plaats in het OHSU BCI-laboratorium. Voor alle typetaken zitten de deelnemers op ongeveer 75 cm van een LCD-scherm, ingesteld voor het BCI-FIT-systeem. Afhankelijk van de aangepaste BCI-FIT-configuratie van de gebruiker (procedures beschreven in SA1.1), worden bij elke typesessie een of meer van de volgende besturingssignalen gebruikt: EEG (ERP, Code of SSVEP), oogbewegingen (kijkpositie of snelheid ), of binaire schakelaars. De experimenten voor SA1.3a, SA1.3b en SA2.2 omvatten allemaal kopieer-spellingstaken, waarbij deelnemers vijf veelvoorkomende Engelse woorden van vijf letters van ongeveer gelijke typemoeilijkheid (volgens LM-invoer) kopiëren en fouten corrigeren door het kiezen van het backspace-teken indien van toepassing. Individuele signaalmodellen zullen worden geïnitialiseerd naar populatiemodellen en zullen worden gepersonaliseerd en verfijnd met elke verworven dataset voor kopieer-spellingstaak. Het experiment voor SA3.4 omvat een herverteltaak, die hieronder wordt beschreven in de paragraaf over dat experiment.

Experiment 1.3a zal de hypothese testen dat een aangepaste BCI-FIT-configuratie op basis van multimodale invoer de typnauwkeurigheid bij een kopieer-spellingstaak zal verbeteren in vergelijking met een standaard P300-matrixspeller. We zullen vóór elke SCRD nieuwe multimodale invoerfuncties testen met controledeelnemers met deelnemers die zich presenteren met SSPI. Het omvat vijf deelnemers met SSPI in een SCRD met afwisselende behandelingen en zal zich concentreren op typenauwkeurigheid als primaire DV. Een eerste basislijnfase omvat wekelijkse kopieer-spellingsessies met de bestaande toegangsmethode van elke deelnemer. Er worden drie of meer basislijnsessies gehouden totdat stabiele prestaties worden waargenomen, waarna de fase van afwisselende behandelingen begint. Behandelingen bestaan ​​uit twee verschillende BCI-FIT-configuraties: 1) een multimodale configuratie gekozen door een combinatie van de benaderingen beschreven in SA1.1. (klinisch ondersteund en prestatiegegevens ondersteund) en 2) een standaard P300 matrix speller. Bij wekelijkse dataverzamelingsbezoeken zullen deelnemers sessies kopiëren en spellen voltooien met elke BCI-FIT-configuratie, met een tegengebalanceerde sessievolgorde. Deelnemers voltooien ten minste vijf sessies met elke configuratie, meer indien nodig om stabiele prestaties te bereiken.

In Experiment 1.3b wordt verondersteld dat adaptieve geïndividualiseerde signaalmodellering mensen met SSPI in staat zal stellen nauwkeurig te typen tijdens een kopieer-spellingstaak met BCI-FIT zonder voor elk gebruik een nieuw model te trainen. Dit experiment omvat ook vijf deelnemers met SSPI in een SCRD met afwisselende behandelingen met typenauwkeurigheid als primaire DV. In deze studie is geen basislijn gepland, aangezien de vergelijking van belang is tussen versies van BCI-FIT met en zonder adaptieve signaalmodellering. Aanvankelijk voltooit elke deelnemer de systeemoptimalisatieprocedures beschreven in SA1.1 en SA1.2 om hun aangepaste BCI-FIT-configuratie te identificeren. Tijdens elk bezoek, in het experiment met alternatieve behandelingen, probeert de deelnemer drie kopieerspelsessies met zijn aangepaste BCI-FIT-configuratie, met behulp van drie verschillende modeltypes: (1) een enkele kalibratie voltooid door dezelfde gebruiker onmiddellijk vóór kopieerspelling; (2) meerdere kalibraties uitgevoerd door dezelfde gebruiker op voorgaande dagen; (3) meerdere kalibraties uitgevoerd door andere gebruikers. Gegevens worden afzonderlijk in een grafiek gezet en geanalyseerd (volgens de procedures in het gedeelte Statistisch ontwerp en vermogen) om de effecten op de prestaties met beide systeemversies te evalueren.

Het experiment in SA2.2 zal de hypothese testen dat een van de twee methoden van adaptieve query's de BCI-FIT-typenauwkeurigheid zal verbeteren voor gebruikers met middelmatige AUC-scores. Het omvat vijf controles en vijf deelnemers met SSPI, elk met een AUC-score in het bereik van 70-80%. (Op basis van pilottests wordt verwacht dat adaptieve zoekopdrachten het meeste voordeel opleveren voor gebruikers met dit niveau van basisprestaties.) Het experiment volgt een SCRD met afwisselende behandelingen. In de basislijnfase zullen deelnemers wekelijkse kopieer-spellingsessies met BCI-FIT voltooien zonder adaptieve bevraging. Elk wekelijks bezoek omvat twee kopieer-spellingsessies met BCI-FIT, met of zonder adaptieve ondervragingstechnieken. De volgorde van de condities wordt zo gecompenseerd dat condities in willekeurige volgorde voorkomen (met niet meer dan twee instanties van dezelfde conditie op rij) en deelnemers zullen elke conditie even vaak ervaren (minstens vijf keer elk, totdat een stabiele prestatie is bereikt). ).

Het experiment in SA3.4 zal een SCRD-experiment met afwisselende behandelingen gebruiken om de hypothese te testen dat taalmodelverbeteringen, inclusief een combinatie van partner- en omgevingsinvoer en woordaanvulling tijdens het typen, de typprestaties met BCI-FIT zullen verbeteren, zoals gemeten door ITR tijdens een herverteltaak. Dit experiment omvat vijf controles en vijf deelnemers met SSPI, elk gekoppeld aan een partner om input van de partner te leveren (totale inschrijving van 10 dyades). Bij elk wekelijks dataverzamelingsbezoek zullen de deelnemers deelnemen aan twee gestructureerde activiteiten voor het navertellen van verhalen, één met en één zonder de verbeterde taalmodelfuncties. De volgorde van de condities wordt zo gecompenseerd dat condities in willekeurige volgorde voorkomen (met niet meer dan twee instanties van dezelfde conditie op rij) en deelnemers zullen elke conditie even vaak ervaren (minstens vijf keer elk, totdat een stabiele prestatie is bereikt). ). Bij de activiteit voor het navertellen van het verhaal kijkt de deelnemer samen met een communicatiepartner naar een korte video en gebruikt hij vervolgens BCI-FIT om vragen van een derde persoon te beantwoorden. De primaire DV in dit experiment is ITR.