IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Um Tutorial em processamento de sinais paraEEG

Tecnicas para reconhecimento de estados mentais emInterfaces Cerebro-Computador

Guilherme Feulo

Grupo de Pesquisa em Computacao Musical - IME/USP

March 14, 2016

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Cerebro-ComputadorEletroencefalografia

Introducao

Seminario com Base em ”A Tutorial on EEG Signal-procesingtechniques for mental-state recognition in Brain-computerInterfaces”

Fabien Lotte

Guide to Brain-computer Music Interfacing - 2015 - Springer

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Cerebro-ComputadorEletroencefalografia

Interfaces Cerebro-Computador

Uma interface cerebro computador e um sistema de comunicacaoque gera sinais de controle utilizando sinais cerebrais, isto e, umsistema que traduz atividade cerebral em comandos para ocomputador ou outros dispositivos.

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Cerebro-ComputadorEletroencefalografia

Principais Aplicacoes

Bioengenharia

Medicina Diagnostica

Pesquisas em Neurociencia

Interacao Homem-Maquina

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Cerebro-ComputadorEletroencefalografia

Eletroencefalografia

Eletrodos localizados sobre a peleMedem a diferenca de potencial gerada na sinapseO sinal e amplificado e passa por um ADC

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Cerebro-ComputadorEletroencefalografia

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

Menor Custo de Hardware

Alta resolucao temporal (milissegundos)

Maior tolerancia aos movimentos

Silencioso

Desvantagens

Baixa resolucao espacial

Nao mede atividade fora da superfıcie do cerebro

Baixa relacao sinal ruıdo

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Visao Geral do Processo

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Visao Geral do Processo

Extracao de Caracterısticas

E o primeiro processamento realizado no EEG

Descreve o sinal com base em um pequeno conjunto decaracterısticas

Geralmente arranjados em um vetor de caracterısticas

Classificacao

Associa uma classe a um conjunto de caracterısticas

Cada classe corresponde a um estado mental possıvel de seridentificado.

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Exemplo

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Classificacao

Traduz as caracterısticas em comandos

Algoritmos de Regressao ou Classificacao

Determinam a classe do vetor de caracterısticas com base noconjunto de treino.

Classificadores generativos ou Discriminantes

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

LDA E SVM

Dividem o espaco com um hiperplano

classifica a caracterıstica de acordo com o lado do hiperplanoque ele corresponde.

computacionalmente baratos

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Extracao de Caracterısticas

Por que fazer o processo de extracao

”curse-of-dimesionality” 32 Canais X 256 Hz = 8000

3 principais fontes de informacao

Informacao EspacialInformacao EspectralInformacao Temporal

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Interfaces baseadas em Informacao Espectral

Interfaces com Imaginacao de Movimento, SSVEP, Baseadasem Calculos mentais, ou concentracao

Principal caracterıstica: Energia em diferentes bandas deFrequencia

Sincronizacao Relacionada ao Evento (ERS)

Dessincronizacao Relacionada ao Evento (ERD)

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Design Basico

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Uso de Multiplos Canais

Infelizmente esse design esta longe de ser ideal

Para o exemplo 8 canais seria o razoavel

48 Canais idealmente

Novamente o problema da dimensionalidade

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Uso de Multiplos Canais

3 Solucoes propostas para diminuir a dimensionalidade

Selecao de Caracterısticas

Selecao de Canais

Filtragem Espacial

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Selecao de Caracterısticas

Algoritmos Univariaveis

Selecionam as N melhores Caracterısticas

Teste T de Student de aderencia a uma classe

Rapidos e Eficientes

Escolhe caracterısticas redundantes

Algoritmos Multivariaveis

Testa subconjuntos e decide pelo Melhor

Usa metodo de validacao cruzada

Computacionalmente muito caro

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Selecao de Canais

Utiliza o mesmo principio da Selecao de Caracterıstica

Reduz a dimensionalidade reduzindo o numero de canais

Torna o Setup Mais Leve e Mias facil de ser feito

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Filtragem Espacial

Cria novos Canais como combinacao linear dos existentes

x =∑i

wixi = wX

Diminui o problema da Dimensionalidade

Ajuda na reducao de ruıdo dos sinais

Pesos wi pode ser definidos previamente ou com base emdados

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Filtragem Espacial

Com Coeficientes definidos previamente: Bipolar e Laplaciano

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Design BasicoUso de Multiplos Canais

Filtragem Espacial

Coeficientes baseado em Dados

Dados obtidos sem supervisao

Principal Component Anlysis (PCA)Independent Component Analysis (ICA)

Dados obtidos com supervisao

Common Spatial Patterns (CSP) e variacoes

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Interfaces Baseadas em ERP

Potenciais Evocados (ERP) sao respostas cerebrais a estımulosespecıficos.

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Filtros Espaciais

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Exemplo P300

Respostas a estimulosraros

Relacionado com quebrade Padrao

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Filtros Espaciais

Filtra tentando maximizar a distancias entre classes e minimizar asdistancias intraclasses

JFischer =tr(Sw )

tr(Sb)

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Metodos alternativos

Temporais: Time Domain Parameters (TDP)

Conectividade: Correlacao entre diferentes pontos

Complexidade: Previsibilidade do sinal

Caos: Dimensoes Fractais

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG

IntroducaoPrincıpios Gerais de Processamento de Sinais de EEG

Interfaces baseadas em Informacao EspectralInterfaces Baseadas em ERP

Obrigado!

Duvidas?

Guilherme Feulo Um Tutorial em processamento de sinais para EEG