Research on Biomedical Engineering
https://rbejournal.org/article/5889fb795d01231a018b4649
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Recognition of words from the EEG Laplacian

Reconhecimento de palavras com o Laplaciano do EEG

Barros, J. Acacio; Carvalhaes, C.G.; Mendonça, J.P.R.F.; Suppes, P.

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Resumo

Recent works on the relationship between the electroencephalogram (EEG) data and psychological stimuli show that EEG recordings can be used to recognize an auditory stimulus presented to a subject. The recognition rate is, however, strongly affected by technical and physiological artifacts. In this work, subjects were presented seven auditory stimuli in the form of English words (first, second, third, left, right, yes, and no), and the time-locked surface electric potentials was recorded with a 64 channel Neuroscan EEG system and related to these stimuli. We used the surface Laplacian operator to eliminate artifacts due to sources located at regions far from the electrode and to improve the recognition rates of auditory stimuli from the surface electric potentials. To compute the Laplacian, we used a spline interpolation from spherical harmonics. The EEG Laplacian during stimulation were average over trials for the same auditory stimulus, and with those averages we constructed prototypes and test samples. In addition to the Laplacian, we applied Butterworth band-pass digital filters to the averaged prototypes and test samples, and compared the filtered test samples against the prototypes using a least squares metric in the time domain. We also analyzed the effects of the spline interpolation order and band-pass filter parameters in the recognition rates. Our results suggest a spatial isomorphism between both subjects in respect to the auditory word processing.

Palavras-chave

EEG, Spline interpolation, Stimulus recognition, Surface electric potentials, Surface Laplacian.

Abstract

Trabalhos recentes sobre a relação entre o sinal de eletroencefalograma (EEG) e estímulos psicológicos mostram que o EEG pode ser usado para reconhecer estímulos auditivos apresentados a um sujeito. A taxa de reconhecimento, no entanto, é fortemente afetada por artefatos técnicos e fisiológicos. Neste trabalho, estímulos auditivos foram apresentados a dois sujeitos na forma de palavras inglesas (first, second, third, left, right, yes, e no), e o potencial elétrico de superfície foi gravado usando um equipamento Neuroscan de 64 canais e relacionado a esses estímulos. Aplicamos o operador Laplaciano de superfície para eliminar artefatos gerados por fontes localizadas em regiões distantes dos eletrodos de captação e melhorar as taxas de reconhecimento de estímulos auditivos dos potenciais elétricos de superfície. Para calcular o Laplaciano, empregamos um algoritmo de interpolação do tipo spline com harmônicos esféricos. O Laplaciano do sinal EEG durante a estimulação foi promediado sobre diversos segmentos do mesmo estímulo auditivo, e as médias foram usadas para construir protótipos e amostras de teste da palavra. Além do Laplaciano, aplicamos filtros digitais do tipo Butterworth aos protótipos e amostras de teste, e comparamos os testes filtrados com os protótipos, usando uma métrica de mínimos quadrados no domínio do tempo. Analisamos também os efeitos da ordem de interpolação e dos parâmetros do filtro digital nas taxas de reconhecimento. Nossos resultados sugerem a existência de um isomorfismo espacial entre os sujeitos estudados com relação ao processamento auditivo das palavras.

Keywords

EEG, Interpolação spline, Potenciais elétricos de superfície, Reconhecimento de estímulos, Superfície Laplaciana.
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Res. Biomed. Eng.

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