Contribuição à matriz de informações em sistemas de imagética motora baseadas no método de CSP

Abstract

Este trabalho propõe uma nova contribuição à formação da matriz de informações em um classificador de imagética motora para interfaces cérebro-máquina. A técnica consiste na inclusão da correlação temporal inter e intra-eletrodos na matriz de informações utilizada pelo método de padrões espaciais comuns (CSP). Simulações com sinais eletroencefalográficos obtidos a partir de dois bancos públicos de imagética motora, em um contexto de diferenciação entre movimentos binários (mão esquerda e direita) e quaternários (mão esquerda, mão direita, ambos os pés e língua) indicaram que o método proposto aumenta os índices de classificação quando comparado ao CSP utilizando a matriz de correlação convencional. Os resultados obtidos, corroborados por meio de inferência estatística e da curva ROC, indicam que a correlação inter e intra-eletrodos possui informação relevante, até então descartada pela literatura em aplicações de imagética motora. Utilizando uma abordagem conjunta do CSP e um classificador por Análise de Discriminantes Lineares de Fisher (FLDA) em problemas de imagética motora binários, para um conjunto de 12 participantes, houve um aumente médio de acurácia de classificação de 3,3% utilizando o método proposto em relação ao convencional. Em outra simulação, houve um aumento de acurácia média de até 5% em relação ao método convencional, quando utilizados pelo menos 7 canais de EEG. Utilizando métodos regularizados de CSP em conjunto com o classificador FLDA em problemas binários, o aumento de acurácia de 2 a 5,4% obtido, varia de acordo com a regularização empregada e do banco de dados utilizado. Por fim, em problemas quaternários usando a abordagem CSP-FLDA, houve um aumento de 1,8% de acurácia média usando a abordagem proposta.

Abstract: This work proposes a new contribution to the information matrix in a classifier of motor imagery for brain-computer interfaces. The technique consists in the inclusion of intra and inter electrode temporal correlation in the information matrix used by the common spatial patterns method (CSP). Simulations performed with electroencephalographic signals obtained from two public motor imagery datasets, in a context of differentiation between binary (left and right hand) and quaternary movements (left hand, right hand, both feet and tongue), indicated that the proposed method increases the classification indices when compared to the CSP method using the conventional correlation matrix. The results obtained, corroborated through statistical inference and the ROC curve, indicate that the inter- and intra-electrode correlation have relevant information previously discarded by the literature. Using a joint approach based on the CSP and the Fisher Linear Discriminant Analysis (FLDA) classifier to binary motor imagery problems for a set of 12 subjects, there was a mean increase in classification accuracy of 3,3% using the proposed method over the conventional one. By optimizing the conventional and proposed methods, the average accuracy increase is 5%, either using all available electrodes or only 7 of them. Using regularized CSP methods in conjunction with FLDA in binary problems, the accuracy increase is between 2 and 5,4%, according to the regularization technique and database employed. Finally, in quaternary problems using the CSP-FLDA approach, there was a 1,8% increase in mean accuracy using the proposed approach and 7 subjects.