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https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/13211
Tipo: | Dissertação |
Data do documento: | 11-Mar-2021 |
Autor(es): | VILAS BOAS, Vitor Mendes |
Afiliação do(s) Autor(es): | IFTO - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Tocantins |
Primeiro(a) Orientador(a): | SILVA, Cleison Daniel |
Primeiro(a) coorientador(a): | TEIXEIRA, Otávio Noura |
Título: | AutoBCI: interface cérebro-máquina com configuração hiperparamétrica automatizada |
Citar como: | VILAS BOAS, Vitor Mendes. AutoBCI: interface cérebro-máquina com configuração hiperparamétrica automatizada. Orientador: Cleison Daniel Silva; Coorientador: Otávio Noura Teixeira. 2021. 249 f. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Núcleo de Desenvolvimento Amazônico em Engenharia, Universidade Federal do Pará, Tucuruí, 2021. Disponível em: http://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/13211. Acesso em:. |
Resumo: | Interfaces Cérebro-Máquina baseadas em Imagética Motora (ICM-IM) permitem o controle de dispositivos independente do uso de nervos e músculos periféricos, a partir da modulação voluntária da atividade eletrofisiológica do cérebro. O desafio imposto à ICM-IM não invasivas típicas é extrair padrões que descrevam a intenção motora nos sinais coletados por eletroencefalografia (EEG) e classificá-los a fim de se gerar comandos confiáveis à aplicação. Para tanto a seleção de técnicas de processamento adequadas assim como a parametrização correta do sistema são fundamentais no ajuste de modelos de classificação eficazes. A configuração dos múltiplos hiperparâmetros na cadeia de processamento, comumente realizada de forma manual e inespecífica do usuário, tende a gerar modelos rígidos e incapazes de generalizar bem em diferentes indivíduos, em especial pela alta variabilidade dos padrões de IM observada entre eles. O uso de estratégias para estimativa desses hiperparâmetros conforme as especificidades do sujeito apresenta-se como uma abordagem mais eficaz e tem sido explorada em estudos recentes. Este trabalho propõe uma estrutura baseada em aprendizado Bayesiano para configuração automática de hiperparâmetros incorporada à uma nova plataforma computacional ICM-IM de código aberto. O sistema integra todas as etapas básicas da arquitetura de ICM-IM de sub-bandas, desde a aquisição até o controle de uma aplicação virtual. Múltiplas técnicas de processamento compõem um amplo espaço de configuração para busca de instâncias hiperparamétricas particulares que maximizam a performance do sistema e abstraem do usuário a tarefa de ajuste manual. Dados de 72 sujeitos em três conjuntos públicos de EEG foram usados em simulações off-line e on-line cujo intuito foi validar o funcionamento dos módulos implementados e investigar os efeitos da configuração automática no desempenho de classificação e no controle efetivo da aplicação. Uma melhora expressiva na acurácia de classificação foi observada ao usar modelos provenientes da configuração automática do sistema em comparação à modelos gerados a partir de configurações frequentes na literatura. Os resultados sugerem que a otimização dos hiperparâmetros produz modelos mais assertivos na classificação dos padrões de IM de diferentes usuários e tende a contribuir para um controle mais eficaz da aplicação. Conclui-se que este estudo contribui com o projeto de ICM-IM mais eficazes no reconhecimento dos padrões de IM particulares do usuário ao fornecer um ambiente experimental completo, personalizável e de uso descomplicado pela configuração automatizada. A opção por técnicas mais eficientes no processamento dos sinais também mostrou-se viável e também são consideradas contribuições deste trabalho. |
Abstract: | Motor Imagery-based Brain-Computer Interfaces (MI-BCI) allow control of devices without the use of peripheral nerves and muscles, based on voluntary modulation of brain electrophysiological activity. The challenge imposed on the typical non-invasive MI-BCI is to extract patterns that describe the motor intention in signals collected by electroencephalography (EEG) and classify them to generate reliable commands to the application. For that, the selection of suitable processing techniques as well as the correct parameterization of the system are fundamental in the adjustment of effective classification models. The configuration of multiple hyperparameters in the processing chain, commonly performed manually and unspecified by the user, tends to generate rigid models that are unable to generalize well in different individuals, especially due to the high variability of MI patterns observed among them. The use of strategies to estimate these hyperparameters according to the subject’s specificities is presented as a more effective approach and has been explored in recent studies. This work proposes a structure based on Bayesian learning incorporated into a new open source MI-BCI computational platform for automatic configuration of hyperparameters. The system integrates all the basic steps of the ICM-IM subband architecture, from the acquisition to the control of a virtual application. Various processing techniques make up a large configuration space to search for particular hyperparametric instances that maximize system performance and draw the user the manual adjustment task. Data from 72 subjects in three public EEG sets were used in offline and online simulations, whose goal was to validate the operation of the implemented modules and to investigate the effects of the automatic configuration on the classification performance and on the effective control of the application. A significant improvement in the accuracy of classification was observed when using automatic configuration based models of the system compared to models generated from frequent configurations in the literature. The results suggest that the optimization of hyperparameters produces more assertive models in the classification of IM patterns of different users and tends to contribute to a more effective control of the application. It is concluded that this study contributes to the design of ICM-IM more effective in recognizing the user’s particular IM patterns by providing a complete experimental environment, customizable and uncomplicated to use by automated configuration. The option for more efficient techniques in signal processing also proved to be viable and are also considered contributions of this work. |
Palavras-chave: | Interface cérebro máquina Imagética motora Eletroencefalografia Plataforma de software Processamento de sub-bandas Configuração automática Otimização de hiperparâmetros Aprendizagem Bayesiana |
Área de Concentração: | COMPUTAÇÃO APLICADA |
Linha de Pesquisa: | DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal do Pará |
Sigla da Instituição: | UFPA |
Instituto: | Núcleo de Desenvolvimento Amazônico em Engenharia - NDAE/Tucuruí |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Computação Aplicada |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
Fonte URI: | Disponível na Internet via correio eletrônico: bibliocamtuc@ufpa.br |
Aparece nas coleções: | Dissertações em Computação Aplicada (Mestrado) - PPCA/NDAE/Tucuruí |
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Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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