طبقه‌بندی خودکار پاسخ‌های SSVEP با نمونه‌های آموزشی محدود و ماتریس کوواریانس تنظیم شده مبتنی بر انقباض

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی ورزش، دانشکده علوم مهندسی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

چکیده

یکی از چالش‌های اساسی در توسعه سیستم‌های رابط مغز و رایانه (BCI)، پایین بودن نرخ انتقال اطلاعات (ITR) است. استفاده از زمان تحریک کوتاه راه‌حلی است که دارای مزیت‌های افزایش مقدار ITR و کاهش خستگی ذهنی کاربران است. به هنگام استفاده از زمان تحریک کوتاه، الگوریتم‌های مبتنی بر شکل‌دهیِ پرتوِ واریانس کمینه با محدودیت خطی (LCMV) عملکرد مناسبی نسبت به سایر طبقه‌بندها فراهم می‌کنند. اما عملکرد آن‌ها در شرایط مذکور بدلیل تخمین بد ماتریس کوواریانس همچنان پایین است. برای بهبود عملکرد شکل‌دهنده پرتو LCMV، این مطالعه چهار ماتریس کوواریانس تنظیم شده مبتنی بر انقباض؛ شامل ترکیب محدب (CC)، ترکیب خطی کلی (GLC)، CC اصلاح‌شده (MCC) و GLC اصلاح‌شده (MGLC) را پیشنهاد می‌کند. تخمین‌گر‌های پیشنهادی با بهبود تخمین بردار وزن به کار رفته در شکل‌دهنده پرتو مکانی-زمانی LCMVst عملکرد طبقه‌بندی را بهبود می‌دهند. نتایج نشان داد که به هنگام استفاده از کوتاه‌ترین زمان تحریک (25/0 ثانیه)، شکل‌دهنده‌های پرتو پیشنهادی LCMVst-MCC و LCMVst-MGLC بهبود قابل توجهی در حدود 27 درصد در میانگین دقت طبقه‌بندی نسبت به LCMVst ارائه کردند. همچنین، روش‌های LCMVst-MCC، LCMVst-MGLC نسبت به روش‌های LCMVst-CC، LCMVst-GLC بهبود تقریبی 9 درصد را در دقت طبقه‌بندی ارائه کردند. نتایج نشان می‌دهد که شکل‌دهنده‌های پرتو پیشنهادی دارای پتانسیل بالایی در توسعه سیستم‌های BCI مبتنی بر SSVEP هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Automatic Classification of SSVEP Responses with Limited Training Samples and Shrinkage-Based Regularized Covariance Matrix

نویسندگان [English]

  • Alireza Talesh Jafadideh 1
  • Asghar Zarei 2
1 School of Engineering Science, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Biomedical Engineering Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده [English]

A major hurdle in brain computer interface (BCI) development is the low information transfer rate (ITR). Using a short stimulation time is a solution that offers the advantages of increasing the ITR value and reducing the mental fatigue of users. When using short stimulation time, algorithms based on linearly constrained minimum variance beamforming (LCMV) provide better performance over other classifiers. However, their performance in aforementioned condition is still low due to the ill-conditioned estimation of the data covariance matrix. To address this problem, this study proposes the use of four Shrinkage-based regularized covariance matrices, including convex combination (CC), generalized linear combination (GLC), modified CC (MCC), and modified GLC (MGLC). The proposed covariance matrices are applied in the spatial-temporal beamformer LCMVst to construct a better weight vector, thereby improving the classification performance. The results showed that when using the shortest stimulation time (0.25s), the proposed beamformers LCMVst-CC, LCMVst-GLC, LCMVst-MCC, and LCMVst-MGLC provided a significant improvement of about 27% in average classification accuracy over conventional LCMVst. Also, the LCMVst-MCC and LCMVst-MGLC methods compared to LCMVst-CC and LCMVst-GLC methods provided approximately 9% improvement in classification accuracy. The results of this study show that the proposed beamformers have high potential in the development of SSVEP-based BCI systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brain-computer interface
  • Steady-state visual evoked potential
  • Adaptive beamforming
  • Shrinkage-based regularized covariance matrix
  • EEG signal