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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2018.tde-19032018-090128
Document
Author
Full name
Mayra Bittencourt Villalpando
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Cordero, Arturo Forner (President)
Ackermann, Marko
Kohn, Andre Fabio
Title in English
Stimuli and feature extraction methods for EEG-based brain-machine interfaces: a systematic comparison.
Keywords in English
Brain-Machine Interface (BMI)
Eletroencephalography (EEG)
P300
SSVEP
Abstract in English
A brain-machine interface (BMI) is a system that allows the communication between the central nervous system (CNS) and an external device (Wolpaw et al. 2002). Applications of BMIs include the control of external prostheses, cursors and spellers, to name a few. The BMIs developed by various research groups differ in their characteristics (e.g. continuous or discrete, synchronous or asynchronous, degrees of freedom, others) and, in spite of several initiatives towards standardization and guidelines, the cross comparison across studies remains a challenge (Brunner et al. 2015; Thompson et al. 2014). Here, we used a 64-channel EEG equipment to acquire data from 19 healthy participants during three different tasks (SSVEP, P300 and hybrid) that allowed four choices to the user and required no previous neurofeedback training. We systematically compared the offline performance of the three tasks on the following parameters: a) accuracy, b) information transfer rate, c) illiteracy/inefficiency, and d) individual preferences. Additionally, we selected the best performing channels per task and evaluated the accuracy as a function of the number of electrodes. Our results demonstrate that the SSVEP task outperforms the other tasks in accuracy, ITR and illiteracy/inefficiency, reaching an average ITR** of 52,8 bits/min and a maximum ITR** of 104,2 bits/min. Additionally, all participants achieved an accuracy level above 70% (illiteracy/inefficiency threshold) in both SSVEP and P300 tasks. Furthermore, the average accuracy of all tasks did not deteriorate if a reduced set with only the 8 best performing electrodes were used. These results are relevant for the development of online BMIs, including aspects related to usability, user satisfaction and portability.
Title in Portuguese
Estímulos e métodos de extração de características para interfaces cérebro-máquina baseadas em EEG: uma comparação sistemática.
Keywords in Portuguese
Eletroencefalografia
Interface homem-computador
Neurociências
Potenciais evocados
Processamento de sinais biomédicos
Abstract in Portuguese
A interface cérebro-máquina (ICM) é um sistema que permite a comunicação entre o sistema nervoso central e um dispositivo externo (Wolpaw et al., 2002). Aplicações de ICMs incluem o controle de próteses externa, cursores e teclados virtuais, para citar alguns. As ICMs desenvolvidas por vários grupos de pesquisa diferem em suas características (por exemplo, contínua ou discreta, síncrona ou assíncrona, graus de liberdade, outras) e, apesar de várias iniciativas voltadas para diretrizes de padronização, a comparação entre os estudos continua desafiadora (Brunner et al. 2015, Thompson et al., 2014). Aqui, utilizamos um equipamento EEG de 64 canais para adquirir dados de 19 participantes saudáveis ao longo da execução de três diferentes tarefas (SSVEP, P300 e híbrida) que permitiram quatro escolhas ao usuário e não exigiram nenhum treinamento prévio. Comparamos sistematicamente o desempenho "off-line" das três tarefas nos seguintes parâmetros: a) acurácia, b) taxa de transferência de informação, c) analfabetismo / ineficiência e d) preferências individuais. Além disso, selecionamos os melhores canais por tarefa e avaliamos a acurácia em função do número de eletrodos. Nossos resultados demonstraram que a tarefa SSVEP superou as demais em acurácia, ITR e analfabetismo/ineficiência, atingindo um ITR** médio de 52,8 bits/min e um ITR** máximo de 104,2 bits/min. Adicionalmente, todos os participantes alcançaram um nível de acurácia acima de 70% (limiar de analfabetismo/ineficiência) nas tarefas SSVEP e P300. Além disso, a acurácia média de todas as tarefas não se deteriorou ao se utilizar um conjunto reduzido composto apenas pelos melhores 8 eletrodos. Estes resultados são relevantes para o desenvolvimento de ICMs "online", incluindo aspectos relacionados à usabilidade, satisfação do usuário e portabilidade.
 
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Publishing Date
2018-03-19
 
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