The method of Common Spatial Patterns (CSP) is widely used for feature extraction of electroencephalography (EEG) data, such as in motor imagery brain-computer interface (BCI) systems. It is a data-driven method estimating a set of spatial filters so that the power of the filtered EEG signal is maximized for one motor imagery class and minimized for the other. This method, however, is prone to overfitting and is known to suffer from poor generalization especially with limited calibration data. Additionally, due to the high heterogeneity in brain data and the non-stationarity of brain activity, CSP is usually trained for each user separately resulting in long calibration sessions or frequent re-calibrations that are tiring for the user. In this work, we propose a novel algorithm called Spectrally Adaptive Common Spatial Patterns (SACSP) that improves CSP by learning a temporal/spectral filter for each spatial filter so that the spatial filters are concentrated on the most relevant temporal frequencies for each user. We show the efficacy of SACSP in providing better generalizability and higher classification accuracy from calibration to online control compared to existing methods. Furthermore, we show that SACSP provides neurophysiologically relevant information about the temporal frequencies of the filtered signals. Our results highlight the differences in the motor imagery signal among BCI users as well as spectral differences in the signals generated for each class, and show the importance of learning robust user-specific features in a data-driven manner.


翻译:通用空间模式(CSP)方法被广泛用于电子脑谱学数据(EEG)的特征提取,例如机动图像脑计算机界面(BCI)系统。这是一种数据驱动方法,用于估算一组空间过滤器,使过滤的EEEG信号对一个运动图像类的能量最大化,对另一个运动图像类的能量最小化。但是,这种方法容易过度适应,而且已知其一般化程度差,特别是校准数据有限。此外,由于大脑数据高度异质性和脑活动不固定性,CSP通常为每个用户单独培训,结果导致长时间校准会议或经常重新校准,使用户感到疲倦。在这项工作中,我们提出一种叫作精细调通用共同空间空间模式(SACSP)的新算法,通过为每个空间过滤器学习时间/光谱过滤器,使空间过滤器集中在每个用户最相关的时间频率上。我们显示SACSP在提供更精确的可比较性和更高精确度的精确度上,从而显示我们从校准的频率和精确度图像用户之间的每一项精确度分析方法,显示我们从校准的SAC的精确度和精确度的精确度分析结果。

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