Optymalizacja BCI-FIT: Brain Computer Interface — zestaw narzędzi do wdrażania funkcjonalnego (BCI-FIT)

Dla każdego konkretnego celu, rozwój metod dostępu BCI nowej technologii wspomagającej zostanie oceniony w jednym lub większej liczbie eksperymentów z wykorzystaniem naprzemiennego projektu badania pojedynczego przypadku (SCRD) ze zdrowymi kontrolami i/lub uczestnikami z SSPI. SCRD jest idealny do badania małych, heterogenicznych populacji, takich jak osoby z SSPI. Pozwala na szczegółową analizę trendów wydajności i zmian w czasie oraz na modyfikacje interwencji specyficzne dla uczestnika w ramach iteracyjnego procesu projektowania. Ponieważ każdy uczestnik stanowi własną kontrolę, próba o wielkości pięciu jest wystarczająca do zademonstrowania i powtórzenia początkowego efektu. Więcej informacji na temat SCRD oraz wizualizacji i analizy danych można znaleźć w sekcji Projekt statystyczny i moc.

W sumie 60 uczestników oceni postępy BCI; 15 osób z SSPI i 45 kontroli. Uczestnicy z SSPI, którzy obecnie dysponują niezawodnym środkiem komunikacji, za pomocą mowy i/lub urządzenia AAC, zostaną zapisani. Wszyscy uczestnicy będą w wieku 18-89 lat (dorośli zdefiniowani przez NIH), z równą liczbą mężczyzn i kobiet. Zdrowe kontrole będą dopasowane do wieku, płci i poziomu wykształcenia. W badaniach SCRD każdy uczestnik stanowi własną grupę kontrolną, więc uczestnicy doświadczą wszystkich warunków początkowych i warunków interwencji zawartych w każdym indywidualnym badaniu, jak opisano poniżej. Kolejność warunków będzie losowana w naprzemiennych zabiegach, kontrolowanych w taki sposób, że każdy uczestnik ukończy taką samą liczbę sesji z każdą interwencją, z nie więcej niż dwiema kolejnymi sesjami z tą samą interwencją. Zaślepienie nie jest możliwe, ponieważ każdy pacjent musi znać swój stan w naprzemiennym schemacie leczenia.

Wszystkie wizyty studyjne z osobami z SSPI będą prowadzone w domach uczestników przez personel OHSU. Wizyty studyjne ze zdrowymi kontrolami będą odbywać się w laboratorium OHSU BCI. Podczas wszystkich zadań związanych z pisaniem na klawiaturze uczestnicy siedzą w odległości około 75 cm od wyświetlacza LCD, ustawionego dla systemu BCI-FIT. W zależności od dostosowanej konfiguracji BCI-FIT użytkownika (procedury opisane w SA1.1), podczas każdej sesji pisania będzie używany jeden lub więcej z następujących sygnałów kontrolnych: EEG (ERP, Code lub SSVEP), ruchy gałek ocznych (pozycja spojrzenia lub prędkość ) lub przełączniki binarne. Eksperymenty dla SA1.3a, SA1.3b i SA2.2 obejmują zadania polegające na kopiowaniu pisowni, w których uczestnicy skopiują pięć popularnych 5-literowych angielskich słów o mniej więcej równej trudności pisania (według wkładu LM) i poprawią błędy, wybieranie znaku backspace w razie potrzeby. Poszczególne modele sygnałów zostaną zainicjowane do modeli populacji i zostaną spersonalizowane i udoskonalone z każdym pozyskanym zestawem danych zadania kopiowania pisowni. Eksperyment dla SA3.4 obejmuje zadanie polegające na powtórzeniu historii, opisane poniżej w akapicie dotyczącym tego eksperymentu.

Eksperyment 1.3a przetestuje hipotezę, że dostosowana konfiguracja BCI-FIT oparta na danych wejściowych multimodalnych poprawi dokładność pisania w zadaniu kopiowania pisowni w porównaniu ze standardowym pisownią matrycy P300. Przetestujemy pilotażowo nowe multimodalne funkcje wejściowe z uczestnikami kontroli przed każdym SCRD z uczestnikami, którzy przedstawią się z SSPI. Obejmie pięciu uczestników z SSPI w SCRD z naprzemiennym leczeniem i skoncentruje się na dokładności pisania jako główny DV. Początkowa faza bazowa będzie obejmowała cotygodniowe sesje kopiowania pisowni przy użyciu istniejącej metody dostępu każdego uczestnika. Trzy lub więcej sesji podstawowych zostanie przeprowadzony do momentu zaobserwowania stabilnej wydajności, a następnie rozpocznie się faza naprzemiennego leczenia. Leczenie obejmuje dwie różne konfiguracje BCI-FIT: 1) konfigurację multimodalną wybraną przez połączenie podejść opisanych w SA1.1. (potwierdzone klinicznie i poparte danymi dotyczącymi wydajności) oraz 2) standardowy pisownia matrycy P300. W cotygodniowych wizytach zbierania danych uczestnicy będą wykonywać sesje kopiowania pisowni z każdą konfiguracją BCI-FIT, z przeciwwagą kolejności sesji. Uczestnicy wykonują co najmniej pięć sesji z każdą konfiguracją, w razie potrzeby więcej, aby osiągnąć stabilną wydajność.

W eksperymencie 1.3b postawiono hipotezę, że adaptacyjne zindywidualizowane modelowanie sygnału pozwoli osobom z SSPI na dokładne pisanie podczas zadania kopiowania pisowni z BCI-FIT bez szkolenia nowego modelu do każdego użycia. Eksperyment ten obejmie również pięciu uczestników z SSPI w SCRD z naprzemiennymi zabiegami z dokładnością pisania jako głównym DV. W tym badaniu nie planuje się żadnej linii bazowej, ponieważ interesujące jest porównanie wersji BCI-FIT z adaptacyjnym modelowaniem sygnału i bez niego. Początkowo każdy uczestnik przeprowadzi procedury optymalizacji systemu opisane w SA1.1 i SA1.2, aby zidentyfikować swoją niestandardową konfigurację BCI-FIT. Podczas każdej wizyty, w eksperymencie z alternatywnymi metodami leczenia, uczestnik podejmie trzy sesje kopiowania pisowni z dostosowaną konfiguracją BCI-FIT, używając trzech różnych typów modeli: (1) pojedyncza kalibracja wykonana przez tego samego użytkownika bezpośrednio przed kopiowaniem pisowni; (2) wiele kalibracji wykonanych przez tego samego użytkownika w poprzednich dniach; (3) wiele kalibracji wykonanych przez innych użytkowników. Dane zostaną przedstawione na wykresach i osobno przeanalizowane (zgodnie z procedurami opisanymi w sekcji Projektowanie statystyczne i moc), aby ocenić wpływ na wydajność obu wersji systemu.

Eksperyment w SA2.2 przetestuje hipotezę, że jedna z dwóch metod zapytań adaptacyjnych poprawi dokładność pisania BCI-FIT dla użytkowników o przeciętnych wynikach AUC. Obejmie pięć kontroli i pięciu uczestników z SSPI, każdy z wynikiem AUC w zakresie 70-80%. (Na podstawie testów pilotażowych oczekuje się, że zapytania adaptacyjne zapewnią największe korzyści użytkownikom przy tym poziomie wydajności bazowej). Eksperyment będzie przebiegał zgodnie z SCRD z naprzemiennymi zabiegami. W fazie początkowej uczestnicy będą ukończyć cotygodniowe sesje kopiowania pisowni z BCI-FIT bez adaptacyjnych zapytań. Każda cotygodniowa wizyta będzie obejmowała dwie sesje kopiowania pisowni z BCI-FIT z adaptacyjnymi technikami zapytań lub bez nich. Kolejność warunków zostanie zrównoważona w taki sposób, że warunki wystąpią w przypadkowej kolejności (nie więcej niż dwa przypadki tego samego stanu z rzędu), a uczestnicy doświadczą każdego stanu taką samą liczbę razy (co najmniej pięć razy każdy, aż do osiągnięcia stabilnej wydajności) ).

Eksperyment w SA3.4 wykorzysta eksperyment SCRD z naprzemiennymi zabiegami w celu przetestowania hipotezy, że ulepszenia modelu językowego, w tym połączenie wkładu partnera i środowiska oraz uzupełnianie słów podczas pisania, poprawią wydajność pisania z BCI-FIT, mierzoną za pomocą ITR podczas zadania polegającego na opowiadaniu historii. Ten eksperyment będzie obejmował pięć kontroli i pięciu uczestników z SSPI, z których każdy będzie połączony z partnerem w celu zapewnienia wkładu partnera (całkowita rejestracja 10 diad). Podczas każdej cotygodniowej wizyty w celu zbierania danych uczestnicy wezmą udział w dwóch ustrukturyzowanych czynnościach polegających na opowiadaniu historii, jednej z ulepszonymi funkcjami modelu językowego i jednej bez ulepszonych funkcji modelu językowego. Kolejność warunków zostanie zrównoważona w taki sposób, że warunki wystąpią w przypadkowej kolejności (nie więcej niż dwa przypadki tego samego stanu z rzędu), a uczestnicy doświadczą każdego stanu taką samą liczbę razy (co najmniej pięć razy każdy, aż do osiągnięcia stabilnej wydajności) ). Opowiadanie historii polega na obejrzeniu przez uczestnika krótkiego filmu wraz z partnerem komunikacyjnym, a następnie wykorzystaniu BCI-FIT do odpowiedzi na pytania zadane przez osobę trzecią. Głównym DV w tym eksperymencie będzie ITR.