Learning Signal Representations for EEG Cross-Subject Channel Selection and Trial Classification

EEG technology finds applications in several domains. Currently, most EEG systems require subjects to wear several electrodes on the scalp to be effective. However, several channels might include noisy information, redundant signals, induce longer preparation times and increase computational times of any automated system for EEG decoding. One way to reduce the signal-to-noise ratio and improve classification accuracy is to combine channel selection with feature extraction, but EEG signals are known to present high inter-subject variability. In this work we introduce a novel algorithm for subject-independent channel selection of EEG recordings. Considering multi-channel trial recordings as statistical units and the EEG decoding task as the class of reference, the algorithm (i) exploits channel-specific 1D-Convolutional Neural Networks (1D-CNNs) as feature extractors in a supervised fashion to maximize class separability; (ii) it reduces a high dimensional multi-channel trial representation into a unique trial vector by concatenating the channels' embeddings and (iii) recovers the complex inter-channel relationships during channel selection, by exploiting an ensemble of AutoEncoders (AE) to identify from these vectors the most relevant channels to perform classification. After training, the algorithm can be exploited by transferring only the parametrized subgroup of selected channel-specific 1D-CNNs to new signals from new subjects and obtain low-dimensional and highly informative trial vectors to be fed to any classifier

Energy extraction method for EEG channel selection

Channel selection is an improvement technique to optimize EEG-based BCI performance. In previous studies, many channel selection methods—mostly based on spatial information of signals—have been introduced. One of these channel selection techniques is the energy calculation method. In this paper, we introduce an energy optimization calculation method, called the energy extraction method. Energy extraction is an extension of the energy calculation method, and is divided into two steps. The first step is energy calculation and the second is energy selection. In the energy calculation step, l2-norm is used to calculate channel energy, while in the energy selection method we propose three techniques: “high value” (HV), “close to mean” (CM), and “automatic”. All proposed framework schemes for energy extraction are applied in two types of datasets. Two classes of datasets i.e. motor movement (hand and foot movement) and motor imagery (imagination of left and right hand movement) were used. The system used a Common Spatial Pattern (CSP) method to extract EEG signal features and k-NN as a classification method to classify the signal features with k = 3. Based on the test results, all schemes for the proposed energy extraction method yielded improved BCI performance of up to 58%. In summary, the energy extraction approach using the CM energy selection method was found to be the best channel selection technique

Classification Methods For Motor Imagery Based Brain Computer Interfaces

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Beyin bilgisayar ara yüzü (BBA), son yıllarda oldukça gelişme sağlayan bir araştırma konusudur. Oyun ekipmanlarından yapay organlara kadar çok çeşitli alanlarda kullanım alanlarına sahip BBA teknolojisinin temel amacı, BBA kullanıcısının beyni ve elektronik bir cihaz arasında herhangi bir çevresel sinir yollarına bağlı olmayan aracısız bir haberleşme kanalı kurmaktır. Motor hareket hayali (MHH), kullanıcının, motor bir hareketi hayal etmesi sırasında alınan beyin sinyallerinden o hareketin tahmin edilmesi esasına dayanan bir BBA yöntemidir. Bağımsız bir BBA türü olması ve pratik olması gibi nedenlerden dolayı, motor hayali çeşitli BBA türleri arasında en popüler olanıdır. Motor hareket hayali sinyalleri beyinin motor korteks olarak adlandırılan, istemli hareketlerden sorumlu bölgesinden elde edilir. Bu sinyallerin alınması için fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), pozitron emisyon tomografi (PET), Elektrokortikogram (EKoG) ya da Elektroansefalografi (EEG) gibi işaret alma metotları kullanılabilir. Bu sinyal türleri içerisinde pratik, ucuz, hızlı ve girişimsiz bir yöntem olduğundan, genellikle EEG tercih edilir. Popüler olmasına rağmen, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılması oldukça zordur. Bunun temel nedeni ise, düşük uzamsal çözünürlüktür. Düşük uzamsal çözünürlük nedeniyle motor hareket hayali ile ilişkili sinyaller beynin farklı bölgelerinde bulunan başka sinyal kaynakları ile karışır ve bu, elde edilen EEG sinyalinden motor hareket hayali sinyallerinin ortaya çıkarılmasını güçleştirir. Ayrıca motor hareket hayali sinyal karakteristiklerinin kişiden kişiye hatta aynı kişi için zamanla değişebilir olması, sınıf sayısının sınırlı olması, EEG işaretinin durağan olmaması ve deneklerin motor hareketlerin hayal edilmesi konusunda tecrübesiz olması da bu tarz işaretlerin sınıflandırılmasını güçleştiren unsurlardandır. Tezin giriş kısmında BBA hakkında temel bilgiler ve önemli BBA metotlarından bahsedilmiştir. Bu BBA metotları şu şekilde sıralanabilir: i) Durağan görsel uyarılmış potansiyel (Steady state visual evoked potentials) tabanlı BBA, ii) P300 tabanlı BBA, iii) Yavaş kortikal potansiyeller (Slow cortical potentials) tabanlı BBA, iv) Kortex-neron aktivasyon potansiyeli (Cortical-neuronal activation potentials) tabanlı BBA, v) Motor hareket hayali (Motor imagery) tabanlı BBA. Tez çalışması konusu motor hareket hayali olduğu için, MH hakkında detaylı bilgiler verilmiştir. MH sinyallerinin fizyolojik temelleri, sinyal karakteristikleri, MH sinyallerinin işlenmesi sırasında karşılaşılan zorluklar gibi konulara değinilmiştir. Ardından, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılmasına yönelik ayrıntılı bir literatür araştırması sunulmuştur. Motor hareket hayali sırasında, motor korteks bölgesinde olay ilişki senkronizasyon (event related synchronisation, ERS) ve olay ilişkili desenkronizasyon (event related desynchronisation, ERD) olarak adlandırılan güç değişimleri meydana gelir. ERD, belirli bir frekans bandında ölçülen işaretteki güç düşümüne, ERS ise belirli bir frekansta ölçülen işaretteki güç artışına karşılık gelir. Motor hareket hayali sırasında en belirleyici işaret, 8-16 Hz arasındaki µ bandındaki güç düşümüdür. Ayrıca 20-30 Hz arasında da ERS işaretleri motor hareket hayali ile birlikte görülmektedir. Çalışmada motor hareket hayali olarak adlandırılan, kişinin kaslarını hareket ettirmesi ya da ettirmeye niyetlenmesi sırasında beynin motor korteks bölgesinde ortaya çıkan güç değişimlerini analiz eden beyin bilgisayar ara yüzü konusunda mevcut sınıflandırma metotları araştırılmış ve tez çalışmasında yeni metotlar geliştirilmiştir. Bu çalışmada, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılması için yeni metotlar geliştirilmiştir. Bu amaçla literatürdeki mevcut metotlar ile beraber, tez kapsamında geliştirilen metotlar sunulmuş ve tüm bu metotların sınıflandırma performansları incelenmiştir. Metotlar kısmında, MH sınıflandırmasına yönelik literatürdeki belli başlı yöntemler anlatılmıştır. Öncelikle, MH sınıflandırmasına yönelik genel bir çerçeve çizilmiş, ardından, her bir işlem adımı detaylı bir biçimde, literatürdeki mevcut yayınlardan bahsedilerek anlatılmıştır. MH sınıflandırmada çok önemli bir uzamsal sınıflandırma metodu olan "Ortak uzamsal örüntüler" (Common Spatial Patterns, CSP) metodu anlatılmış ve CSP metoduna yapılan iyileştirmelerden bahsedilmiştir. Metotlar kısımda, Tezin katkılarından ilki olan "Görev ilişkili & uzamsal düzenlemeli ortak uzamsal örüntüler" (Task Related & Spatially Regulaized Common Spatial Patterns, TR&SR-CSP) isimli çalışma anlatılmıştır. Bu çalışmada düzenlenmiş bir CSP metodu önerilmiştir. Metot motor hareket hayali sinyallerinin beyindeki oluşum noktalarını kullanan bir düzenlenmiş (regularized) CSP metodudur. Bu metotta, uzamsal filtrelerin eğitimi sırasında özel olarak hazırlanmış bir ceza matrisi oluşturma algoritması tanıtılmıştır. Bu ceza matrisi, verilen görevlere ilişkin motor korteksteki konumları göz önünde bulundurarak uzamsal filtrelerin korteks üzerinde bu bölgelere odaklanmasını sağlamıştır. Çalışma sonuçları incelendiğinde, fizyolojik verilerle uyumlu sonuçların elde edildiği gözlemlenir. Çalışma 2014 senesinde biyo-informatik ve biyomedikal mühendisliği uluslar arası konferansı" (IWBBIO) konferansında sunulmuştur. Metotlar kısmında ikinci olarak CSP'nin eksikliklerine değinilerek "Uzamsal filtre ağı" (Spatial Filter Network, SFN) metodu sunulmuştur. Bu metot, bir uzamsal filtre ve bir sınıflandırıcının birlikte optimizasyonunu sağlayan çok katmanlı bir yapıdır. Önerilen yöntem, CSP metodunun iki problemini adresler ve bunlara çözüm arar. Bu problemler, i) CSP metodunun yalnızca sınıflar arası saçılımları iyileştirmesi, buna rağmen, sınıf içi saçılımlar ile ilgilenmemesi, ii)CSP metodunun sınıflandırma performansı ile değil, verilen optimizasyon fonksiyonunu iyileştirmeye çalışmasıdır. SFN ise eğitim kümesindeki her elemanı tek tek ağa sunarak, hem uzamsal filtreyi, hem de sınıflandırıcıyı eğitir. SFN ağının eğitimi için yapay sinir ağlarında kullanılan geriye yayılım yöntemi kullanılmıştır. Bunun için ağa sunulan her eğitim kümesi elemanı için ağın oluşturduğu çıkış incelenmiş ve hem uzamsal filtre ağırlıkları, hem de sınıflandırıcı ağrırlıkları güncellenmiştir. Optimizasyon yöntemi olarak yapay sinir ağlarının eğitiminde kullanılan Levenberg-Marquardt (LM) ve back propogation (BP) metotlarından yararlanılmıştır. Tez içersinde SFN metodunun çalıştırılmasına ve eğitimine yönelik matematiksel denklemler sunulmuştur. SFN metoduna ilişkin yayın, PLoS One isimli dergide yayınlanmıştır. Metotlar kısmında son olarak uzamsal – spektral filtreleme metotlarına değinilmiştir. Bu metotlar hem uzamsal hem de spektral düzlemde optimizasyonlar yapmaktadırlar. CSP basitliği ile beraber güçlü bir metot olmasına karşın, bazı eksiklikleri vardır. Motor hareket hayali tabanlı beyin bilgisayar ara yüzlerinde CSP'nin başarısı büyük oranda ERD (olay tabanlı desenkronizasyon) ve ERS (olay tabanlı senkronizasyon) olarak adlandırılan fizyolojik fenomenlere bağlıdır. Halbuki pratikte ERD'nin bulunduğu frekans bandı kişiden kişiye farklılık gösterir. Bu, pratik bir BCI tasarlarken karşılaşılan en büyük problemlerden biridir. Yakın zamana kadar CSP kullanılırken frekans bandı ya geniş bant kullanılarak tanımsız bırakılmaktaydı ya da manüel ayarlanmaktaydı. Genel olarak, CSP'yi EEG işaretini filtrelemeden ya da uygun olmayan bir frekans bandında filtreleyerek uygulamak düşük bir sınıflandırma başarımı verecektir. Bu durumda yapılacak bir iş, zaman harcayıcı bir araştırmalar ve bazı manüel ayarlamalar ile her bir denek için en iyi frekans bandını bulmak olacaktır. Bu şekilde sınıflandırmanın başarımı artırdığı gösterilmiş olsa da, zaman harcayıcı ve zahmetli bir iştir. Bu nedenle son zamanlarda uzamsal filtrelerin frekans filtreleri ile eş zamanlı optimizasyonuna ilişkin yöntemlerin araştırılması oldukça önem kazanmıştır. Bu nedenlerden dolayı, CSP gibi sadece uzamsal düzlemde çalışan metotlar yerine filtrelerin spektral karakteristiklerinin de otomatik olarak iyileştirilmesi amaçlanıştır. Literatürdeki mevcut spatio-spectral metotlar anlatılmış ve tezin son çıktısı olan "Filtre bankası temelli ortak uzamsal örüntüler" (Filter bank common spatio spectral patterns, FBCSSP) isimli, hem spektral hem de uzamsal düzlemde filtre iyileştirilmesi yapan bir metot geliştirilmiştir. Sunulan metot, çeşitli frekanslarda filtreleme yapan bir filtre bankası ve arka arkaya dizilmiş iki adet CSP katmanından oluşur. İlk CSP katmanı, her bir filtre bankası çıkışını uzamsal olarak filtreler böylece, EEG işareti dar bantlarda uzamsal filtrelenmiş olur. İkinci CSP katmanı ise ilk katmandan gelen uzamsal filtrelenmiş işaretleri alarak en önemli işaretleri ortaya çıkartmaya çalışır. Bu nedenle ikinci katman bir nevi frekans seçimi yapmaktadır. İki CSP katmanı ise spatio-spektral bir filtre yapısı oluşturmuş olur. Sonuçlar incelendiğinde, yüksek sınıflandırma başarımlarına ulaşılabildiği görülmektedir. Sunulan çalışma "Biyo-medikal ve biyo informatik alanlarında bilgi teknolojileri" (ITBAM 2016) isimli konferansta sunulmak üzere kabul almıştır. Çalışma "Bilgisayar bilimlerinde konferans notları" (LNCS) isimli dergide yayınlanacaktır. Sonuçlar kısmında, kullanılan veri kaynaklarından bahsedilmiş, veri kümelerinin özelliklerinden bahsedilmiştir. Daha sonra, sonuçların elde edilmesine yönelik bir çerçeve sunulmuş ve yapılacak değerlendirmeler anlatılmıştır. Ayrıca sonuçlar elde edilirken kullanılan metotlara ilişkin bütün parametre ayarlamaları detaylıca sunulmuştur. Sonuçlar kısmında hem sayısal hem de görsel sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, önerilen metotların başarılı sonuçlar elde ettiği görülmüştür. Literatürdeki diğer metotlara ilişkin sonuçlar ile değerlendirildiğinde, önerilmiş metotlardan elde edilen sınıflandırma performansları ümit vericidir. Önerilen metotların çalışılan veri kümelerinde performansı yukarı çektiği görülmektedir. Sayısal performans değerlendirmesinin yanında ayrıca, önerilen metotların motor hareket hayali fizyolojisi ile uygunluğu elde edilen uzamsal ve spektral filtrelerin analiz edilmesi ile gözlemlenmiştir. Bütün bu sonuçlar önerilen metotların etkili ve başarılı olduğunu göstermektedir.Brain computer interfacing (BCI) is an emerging topic which is applied to several areas from gaming equipment to health assistive devices. BCI technology aims establishing a direct communication pathway between the user's brain and any electronic device. Motor imagery is a BCI methodology in which the user's imagining of moving a limb is detected without any actual physical movement. Among different BCI techniques, motor imagery is the most popular BCI methodology because of its practicality and being an independent BCI method. Generally, electroencephalogram (EEG) is used for acquiring motor imagery signals since it is a practical, cheap, fast and non-invasive technique for analyzing brain signals. However, classification of motor imagery signals is a challenging topic. Poor spatial resolution of EEG signal makes it difficult to clearly extract motor imagery signals directly. Poor spatial resolution causes motor imagery signals to be mixed up with the signals from the signal sources in the brain which are much stronger. In this study, novel methods for classification of motor imagery signals were developed. For this purpose, existing methods and proposed methods were presented and their classification performances were analyzed. In this thesis, firstly, BCI concept and main BCI methodologies were presented. Motor imagery paradigm and physiological sources and main properties of motor imagery signals were described. Then, an extensive literature review about classification of motor imagery signals was exhibited. Next, the state of art method in the motor imagery classification called common spatial patterns (CSP) method was analyzed and then, regularized CSP methods which addresses some drawbacks of CSP were described. Next, the first contribution of this thesis, task related & spatially regularized CSP method was presented as a regularized CSP algorithm. After that, the second contribution of this thesis, a spatial filtering and classification structure named spatial filter network (SFN) method was presented. After presenting the spatial filtering algorithms, spectral and spatial filtering methodologies were presented. In this manner, a spatio-spectral filtering method called filter bank common spatio-spectral patterns (FBCSSP) method was proposed. Before running the proposed methods, datasets used in the study were introduced. Then, selected configurations of the methods were described. Obtained results of the proposed methods of this study are promising. Their performance evaluations were reported along with important methods from the literature. Developed methods increased the classification performance of the given datasets. Also the physiological suitability of the proposed methods was demonstrated by analyzing obtained spatial and spectral filters. Results showed the effectiveness of the proposed methods.DoktoraPh

Towards Real-World BCI: CCSPNet, A Compact Subject-Independent Motor Imagery Framework

A conventional subject-dependent (SD) brain-computer interface (BCI) requires a complete data-gathering, training, and calibration phase for each user before it can be used. In recent years, a number of subject-independent (SI) BCIs have been developed. However, there are many problems preventing them from being used in real-world BCI applications. A weaker performance compared to the subject-dependent (SD) approach, and a relatively large model requiring high computational power are the most important ones. Therefore, a potential real-world BCI would greatly benefit from a compact low-power subject-independent BCI framework, ready to be used immediately after the user puts it on. To move towards this goal, we propose a novel subject-independent BCI framework named CCSPNet (Convolutional Common Spatial Pattern Network) trained on the motor imagery (MI) paradigm of a large-scale electroencephalography (EEG) signals database consisting of 21600 trials for 54 subjects performing two-class hand-movement MI tasks. The proposed framework applies a wavelet kernel convolutional neural network (WKCNN) and a temporal convolutional neural network (TCNN) in order to represent and extract the diverse spectral features of EEG signals. The outputs of the convolutional layers go through a common spatial pattern (CSP) algorithm for spatial feature extraction. The number of CSP features is reduced by a dense neural network, and the final class label is determined by a linear discriminative analysis (LDA) classifier. The CCSPNet framework evaluation results show that it is possible to have a low-power compact BCI that achieves both SD and SI performance comparable to complex and computationally expensive.Comment: 15 pages, 6 figures, 6 tables, 1 algorith

Effective EEG analysis for advanced AI-driven motor imagery BCI systems

Developing effective signal processing for brain-computer interfaces (BCIs) and brain-machine interfaces (BMIs) involves factoring in three aspects of functionality: classification performance, execution time, and the number of data channels used. The contributions in this thesis are centered on these three issues. Contributions are focused on the classification of motor imagery (MI) data, which is generated during imagined movements. Typically, EEG time-series data is segmented for data augmentation or to mimic buffering that happens in an online BCI. A multi-segment decision fusion approach is presented, which takes consecutive temporal segments of EEG data, and uses decision fusion to boost classification performance. It was computationally lightweight and improved the performance of four conventional classifiers. Also, an analysis of the contributions of electrodes from different scalp regions is presented, and a subset of channels is recommended. Sparse learning (SL) classifiers have exhibited strong classification performance in the literature. However, they are computationally expensive. To reduce the test-set execution times, a novel EEG classification pipeline consisting of a genetic-algorithm (GA) for channel selection and a dictionary-based SL module for classification, called GABSLEEG, is presented. Subject-specific channel selection was carried out, in which the channels are selected based on training data from the subject. Using the GA-recommended subset of EEG channels reduced the execution time by 60% whilst preserving classification performance. Although subject-specific channel selection is widely used in the literature, effective subject-independent channel selection, in which channels are detected using data from other subjects, is an ideal aim because it leads to lower training latency and reduces the number of electrodes needed. A novel convolutional neural network (CNN)-based subject-independent channels selection method is presented, called the integrated channel selection (ICS) layer. It performed on-a-par with or better than subject-specific channel selection. It was computationally efficient, operating 12-17 times faster than the GA channel selection module. The ICS layer method was versatile, performing well with two different CNN architectures and datasets.Developing effective signal processing for brain-computer interfaces (BCIs) and brain-machine interfaces (BMIs) involves factoring in three aspects of functionality: classification performance, execution time, and the number of data channels used. The contributions in this thesis are centered on these three issues. Contributions are focused on the classification of motor imagery (MI) data, which is generated during imagined movements. Typically, EEG time-series data is segmented for data augmentation or to mimic buffering that happens in an online BCI. A multi-segment decision fusion approach is presented, which takes consecutive temporal segments of EEG data, and uses decision fusion to boost classification performance. It was computationally lightweight and improved the performance of four conventional classifiers. Also, an analysis of the contributions of electrodes from different scalp regions is presented, and a subset of channels is recommended. Sparse learning (SL) classifiers have exhibited strong classification performance in the literature. However, they are computationally expensive. To reduce the test-set execution times, a novel EEG classification pipeline consisting of a genetic-algorithm (GA) for channel selection and a dictionary-based SL module for classification, called GABSLEEG, is presented. Subject-specific channel selection was carried out, in which the channels are selected based on training data from the subject. Using the GA-recommended subset of EEG channels reduced the execution time by 60% whilst preserving classification performance. Although subject-specific channel selection is widely used in the literature, effective subject-independent channel selection, in which channels are detected using data from other subjects, is an ideal aim because it leads to lower training latency and reduces the number of electrodes needed. A novel convolutional neural network (CNN)-based subject-independent channels selection method is presented, called the integrated channel selection (ICS) layer. It performed on-a-par with or better than subject-specific channel selection. It was computationally efficient, operating 12-17 times faster than the GA channel selection module. The ICS layer method was versatile, performing well with two different CNN architectures and datasets

The classification of wink-based eeg signals by means of transfer learning models

Stroke is one of the dominant causes of impairme nt. An estimation of half post-stroke survivors suffer from a severe motor or cognitive deterioration, that affects the functionality of the affected parts of the body, which in turn, prevents the patients from carrying out Activities of Daily Living (ADL). EEG signals which contains information on the activities carried out by a human that is widely used in many applications of BCI technologies which offers a means of controlling exoskeletons or automated orthosis to facilitate their ADL. Although motor imagery signals have been used in assisting the hand grasping motion amongst others motions, nonetheless, such signals are often difficult to be generated. It is non-trivial to note that EEG-based signals for instance, winking could mitigate the aforesaid issue. Nevertheless, extracting and attaining significant features from EEG signals are also somewhat challenging. The utilization of deep learning, particularly Transfer Learning (TL), have been demonstrated in the literature to b e able to provide seamless extraction of such signals in a myria d of various applications. Hitherto, limited studies have investigated the classification of wink-based EEG signals through TL accompanied by classical Machine Learning (ML) pipelines. This study aimed to explore the performance of different pre-processing methods, namely Fast Fourier Transform, Short-Time Fourier Transform, Discrete Wavelet Transform, and Continuous Wavelet Transform (CWT) that could allow TL models to extract features from the images generated and classify through selected classical ML algorithms . These pre-processing methods were utilized to convert the digital signals into respective images of all the right and left winking EEG signals along with no winking signals that were collected from ten (6 males and 4 females, aged between 22 and 29) subjects. The implementation of pre-processing algorithms has been demonstrated to be able to mitigate the signal noises that arises from the winking signals without the need for the use signal filtering algorithms. A new form of input which consists of scalogram and spectrogram images that represents both time and frequency domains , are then introduced in the classification of wink-based EEG signals. Different TL models were exploited to extract features from the transformed EEG signals. The features extracted were then classified through three classical ML models, namely Support Vector Machine, k -Nearest Neighbour (k-NN) and Random Forest to determine the best pipeline for wink -based EEG signals. The hyperparameters of the ML models were tuned through a 5-fold crossvalidation technique via an exhaustive grid search approach. The training, validation and testing of the models were split with a stratified ratio of 60:20:20, respectively. The results obtained from the TL-ML pipelines were evaluated in terms of classification accuracy, Precision, Recall, F1-Score and confusion matrix. It was demonstrated from the simulation investigation that the CWT model could yield a better signal transformation amongst the preprocessing algorithms. In addition, amongst the eighteen TL models evaluated based on the CWT transformation, fourteen was f ound to be able to extract the features reasonable, i.e., VGG16, VGG19, ResNet101, ResNet101 V2, ResNet152, ResNet152 V2, Inception V3, Inception ResNet V2, Xception, MobileNetV2, DenseNet 121, DenseNet 169, NasNetMobile and NasNetLarge. Whilst it was observed that the optimized k-NN model based on the aforesaid pipeline could achieve a classification accuracy of 100% for the training, validation, and tes t data. Nonetheless, upon carrying out a robustness test on new data, it was demonstrated that the CWT-NasNetMobile-kNN pipeline yielded the best performance. Therefore, it could be concluded that the proposed CWT-NasNetMobile-k-NN pipeline is suitable to be adopted to classify -winkbased EEG signals for BCI applications,for instance a grasping exoskeleton

Brain computer interfaces: an engineering view. Design, implementation and test of a SSVEP-based BCI.

This thesis presents the realization of a compact, yet flexible BCI platform, which, when compared to most commercially-available solution, can offer an optimal trade-off between the following requirements: (i) minimal, easy experimental setup; (ii) flexibility, allowing simultaneous studies on other bio-potentials; (iii) cost effectiveness (e.g. < 1000 €); (iv) robust design, suitable for operation outside lab environments. The thesis encompasses all the project phases, from hardware design and realization, up to software and signal processing. The work started from the development of the hardware acquisition unit. It resulted in a compact, battery-operated module, whose medium-to-large scale production costs are in the range of 300 €. The module features 16 input channels and can be used to acquire different bio-potentials, including EEG, EMG, ECG. Module performance is very good (RTI noise < 1.3 uVpp), and was favourably compared against a commercial device (g.tec USBamp). The device was integrated into an ad-hoc developed Matlab-based platform, which handles the hardware control, as well as the data streaming, logging and processing. Via a specifically developed plug-in, incoming data can also be streamed to a TOBI-interface compatible system. As a demonstrator, the BCI was developed for AAL (Ambient Assisted Living) system-control purposes, having in mind the following requirements: (i) online, self-paced BCI operation (i.e., the BCI monitors the EEG in real-time and must discern between intentional control periods, and non-intentional, rest ones, interpreting the user’s intent only in the first case); (ii) calibration-free approach (“ready-to-use”, “Plug&Play”); (iii) subject-independence (general approach). The choice of the BCI operating paradigm fell on Steady State visual Evoked Potential (SSVEP). Two offline SSVEP classification algorithms were proposed and compared against reference literature, highlighting good performance, especially in terms of lower computational complexity. A method for improving classification accuracy was presented, suitable for use in online, self-paced scenarios (since it can be used to discriminate between intentional control periods and non-intentional ones). Results show a very good performance, in particular in terms of false positives immunity (0.26 min^-1), significantly improving over the state of the art. The whole BCI setup was tested both in lab condition, as well as in relatively harsher ones (in terms of environmental noise and non-idealities), such as in the context of the Handimatica 2014 exhibition. In both cases, a demonstrator allowing control of home appliances through BCI was developed