طبقه‌بندی وظایف تصور حرکتی با استفاده از تحلیل زمان-فرکانس سیگنال‌های EEG و فیلترهای الگوهای فضایی-فرکانسی مشترک

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه صنعتی سهند تبریز

10.22034/tjee.2026.68816.5076

چکیده

واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) در توان‌بخشی عصبی، به‌ویژه برای افراد با اختلالات حرکتی شدید مانند ALS، آسیب نخاعی و سکته مغزی، نقش حیاتی ایفا می‌کنند. این فناوری با ایجاد ارتباط مستقیم میان مغز و دستگاه‌های خارجی، مسیرهای ارتباطی جایگزین ایجاد کرده و به بهبود توانایی‌های حرکتی و ارتقای کیفیت زندگی کمک می‌کند. الکتروانسفالوگرام (EEG) به دلیل سهولت ثبت و هزینه پایین، یک روش رایج در توسعه BCI است. با این حال، تفاوت‌های شناختی و فردی میان افراد، عملکرد وظایف تصور حرکتی (MI) و دقت BCI را به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار می‌دهد. این تحقیق یک رویکرد نوین برای طبقه‌بندی بهبودیافته MI معرفی می‌کند که به‌طور خاص، فیلترهای الگوی فضایی-طیفی مشترک (CSSP) را با تبدیل موجک Q قابل تنظیم (TQWT) ادغام کرده است. این ترکیب هم‌افزا، با استفاده از پایگاه داده CHO-2017 (شامل 52 شرکت‌کننده) که تفاوت‌های شناختی فردی را به‌خوبی منعکس می‌کند، به‌طور مؤثر چالش‌های ناشی از این تفاوت‌ها را در تمایز بین وظایف تصور حرکتی دست چپ و راست برطرف می‌سازد. روش ما تنها از 10 ویژگی برتر استخراج‌شده از این تکنیک ترکیبی استفاده می‌کند که فرآیند را به‌طور چشمگیری ساده کرده و درعین‌حال اثربخشی طبقه‌بندی را به حداکثر می‌رساند. این مجموعه ویژگی‌های اختصاصی در 99% از شرکت‌کنندگان اثربخشی قابل‌توجهی نشان داد. با ادغام این ویژگی‌ها با طبقه بند K-نزدیک‌ترین همسایه (KNN)، دقت 98.84% برای طبقه‌بندی وظایف MI حاصل شد که به‌طور قابل‌توجهی بهتر از روش‌های پیشرفته فعلی است. نتایج این تحقیق می‌تواند نویدبخش توسعه سیستم‌های BCI دقیق‌تر در زمینه استخراج دستورالعمل‌های مناسب با وظایف تصور حرکتی باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Classification of Motor Imagery Tasks Using Time-Frequency Analysis of EEG Signals and Common Spatial-Spectral Pattern filters

نویسندگان [English]

  • reza nejato
  • Hamed Danandeh Hesar
Faculty of Biomedical Engineering Sahand University of Technology
چکیده [English]

Brain-Computer Interfaces (BCIs) are transformative in neurorehabilitation, offering vital communication and control for individuals with severe motor impairments, such as those with ALS, spinal cord injuries, or stroke. By establishing direct links between brain activity and external devices, BCIs bypass damaged neural pathways, thereby restoring a degree of motor function and improving quality of life. Electroencephalography (EEG) is a leading modality for BCI development due to its accessibility and cost-effectiveness. However, a significant hurdle remains the inherent variability in cognitive and individual differences, which substantially impacts motor imagery (MI) task performance and BCI accuracy. This research introduces a novel approach for enhanced MI classification by specifically integrating the Common Spatial-Spectral Pattern (CSSP) filters with the Tunable-Q Wavelet Transform (TQWT). This synergistic combination, applied to the extensive CHO-2017 database (52 participants) which captures significant inter-individual cognitive variations, is designed to effectively address the challenges posed by individual differences in distinguishing between left and right-hand MI tasks. Critically, our method utilizes only the top 10 discriminative features extracted through this hybrid technique, significantly streamlining the process while maximizing classification efficacy. This tailored feature set demonstrated remarkable effectiveness across 99% of participants. When integrated with a K-Nearest Neighbors (KNN) classifier, this approach achieved an outstanding accuracy of 98.84%, surpassing current state-of-the-art methods. The findings of this research could pave the way for the development of more accurate BCI systems capable of extracting optimal commands for MI tasks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brain-Computer Interfaces
  • Electroencephalogram Signals
  • Motor Imagery Tasks
  • Common Spatial-Spectral Patterns
  • Tunable-Q Wavelet Transform