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dc.contributor.advisor 김종현 -
dc.contributor.author Minsu Song -
dc.date.accessioned 2020-06-22T16:01:32Z -
dc.date.available 2020-06-22T16:01:32Z -
dc.date.issued 2020 -
dc.identifier.uri http://dgist.dcollection.net/common/orgView/200000284538 en_US
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/20.500.11750/11977 -
dc.description Brain computer interface, Motor imagery, False positive, EEG contamination, Stroke rehabilitation, Neurorehabilitation -
dc.description.abstract auditory evoked potentials (AEP) and visually evoked potentials (VEP). To find out the characteristics of these signals, we compared the frequency-based and channel-based pattern of pure motor imagery and EEG contamination tasks of healthy and stroke groups of subjects.
Using the discovered characteristics of EEG contaminations, we designed a three-phase algorithm using a single region of interest (ROI) channel to obtain a motor imagery signal, and three non-ROI channels on the source of the EEG contamination signals to filter out the false positives.
Four healthy subjects and nine stroke patient subjects participated in the online BCI trial. The algorithm has shown a sensitivity of 35% and 34.81%, and selectivity of 73.68% and 71.76% for each group. The false-positive rate were 10% for the healthy group, 13.7% for the stroke group.
Compared to other MI-BCI studies applied to stroke patients, our study has outperformed all studies with false positive rate and false per minute, while using the least number of channels (4). Also, our system was robust to day-by-day difference for prolonged intervals (28.5 days for the healthy group, 11.78 days for the stroke group). These results suggest that our proposed system could be practically used for the clinical environment. For future work, we need to increase the sensitivity while maintaining the advantages of the system. Evaluating the difference of brain plasticity between intensity focused BCI system and specificity focused BCI system would guide our further studies. The follow-up evaluation study of long term BCI therapy applied to stroke patients might follow.
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dc.description.abstract Many studies use motor imagery-based brain-computer interface systems on stroke rehabilitation to induce brain plasticity. However, many systems only focused on detecting true-positives but ignored the false positive. False-positive can be a threat to stroke patients since the false positive can induce wrong-directed brain plasticity results in wrong directed rehabilitation. Therefore, we propose a motor imagery detection algorithm focusing on rejecting false positives.
We categorized the cause of false positives into two different EEG contaminations
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dc.description.statementofresponsibility prohibition -
dc.description.tableofcontents ABSTRACT - 1 -
List of contents - 2 -
I. Introduction - 3 -
II. Method - 8 -
1. Definition and selection of the non-ROI - 8 -
A. Participants - 9 -
B. Concept of non-ROI - 10 -
C. Apparatus and procedure of calibration - 11 -
D. Selecting ROI and non-ROI candidate channels - 15 -
E. Characteristics of ROI and non-ROI - 19 -
2. Algorithm of proposing MI-BCI system - 22 -
A. Preprocessing of the signal and moving window - 22 -
B. The three-phase algorithm - 23 -
C. Extraction of the training data - 27 -
D. Offline simulation for specific channel selection - 30 -
3. Structure of proposing MI-BCI system - 31 -
4. Experiment - 33 -
A. Calibration session - 33 -
B. Interval of sessions - 33 -
C. MI-BCI session - 34 -
5. Data analysis - 36 -
A. Group analysis of paradigms during the calibration session - 37 -
B. Offline simulation during the calibration session - 37 -
C. MI-BCI session - 38 -
III. Results - 40 -
1. Group analysis of paradigms during the calibration session - 40 -
2. Offline simulation during the calibration session - 42 -
3. Results of MI-BCI session - 44 -
IV. Discussions - 50 -
V. Conclusion - 59 -
References - 60 -
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dc.format.extent 70 -
dc.language eng -
dc.publisher DGIST -
dc.title A novel motor imagery-based real time neurofeedback BCI system for stroke neurorehabilitation using EEG -
dc.title.alternative EEG를 이용한 뇌졸중 신경재활을 위한 새로운 운동 상상 기반 실시간 신경 피드백 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 -
dc.type Thesis -
dc.identifier.doi 10.22677/Theses.200000284538 -
dc.description.alternativeAbstract 최근 운동 상상 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 활용한 뇌 가소성을 자극하는 뇌신경 재활 시스템의 개발에 대한 관심이 뇌졸중 관련 재활 학계에서 활발히 증가하고 있음. 하지만 현존하는 시스템들은 신호 검출에만 집중하며 잘못된 검출을 제거하는 것에 소홀한 편임. 잘못된 검출은 피험자의 의지와 상관 없이 피드백을 제공하면서 잘못된 뇌 가소성의 유도, 결과적으로 잘못된 재활 치료를 제공하는 결과를 일으킬 수 있음.
본 연구에서는 잘못된 검출의 원인을 파악하기 위하여 EEG 오염이라는 개념을 이용, 소리 자극에 의한 뇌신호와 시각 자극 및 시각적 상상에 의한 뇌신호를 EEG 오염의 원인으로써 간주, 정상인 및 뇌졸중 환자 대상의 신호 특성을 파악한 후, 그 특성에 기반하여 3단계로 구성된 실시간 운동 상상 검출 및 오염 신호를 제거하는 알고리즘을 설계하였음.
총 4명의 정상인과 9명의 뇌졸중 환자가 실시간 시스템을 사용한 실험에 참여하였고, 그 결과 sensitivity는 각각 35% 와 34.81%, selectivity는 73.68% 71.76%, 10%와 13.7%의 false positive rate와 1.0, 1.03의 false per minute 수치를 얻을 수 있었음.
타 연구 대비 본 연구의 시스템은 sensitivity는 낮지만 가장 뛰어난 false positive rate와 false per minute을 보일 수 있었고, 평균적으로 78.54%의 false positive를 제거할 수 있는 것을 확인람. 이러한 결과를 통해, 개발한 시스템은 잘못된 검출을 가장 적은 채널로 가장 잘 제거할 수 있는 시스템임을 확인함. 또한 개발한 시스템은 첫 날 피험자의 특성을 파악하여 시스템을 조율한 뒤, 최소 5일, 최대 40일이 지난 후 실시간 시스템을 적용하여도 selectivity의 확연한 변화가 없어 시간에 매우 강건한 시스템임을 또한 확인함. 이러한 결과는 본 시스템이 적은 수의 채널과 잘못된 신호를 잘 제거하고, 시간이 많이 흘러도 성능을 유지한다는 점에서 실질적으로 의료 환경에서 사용할 가능성이 있는 시스템임을 입증함. 본 연구 이후, 시스템의 장점을 유지하면서 sensitivity를 높이는 시도가 요구되며, sensitivity에 집중한 BCI 시스템과 false positive 제거에 집중한 BCI 시스템의 뇌 가소성 비교, 그리고 개발한 시스템을 사용한 장기간 재활 치료 훈련의 결과를 검증하는 실험이 요구됨.
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dc.description.degree Doctor -
dc.contributor.department Robotics Engineering -
dc.contributor.coadvisor Sungho Jang -
dc.date.awarded 2020-02 -
dc.publisher.location Daegu -
dc.description.database dCollection -
dc.citation XT.RD 송38 202002 -
dc.date.accepted 2020-01-20 -
dc.contributor.alternativeDepartment 로봇공학전공 -
dc.embargo.liftdate 2020-12-31 -
dc.contributor.affiliatedAuthor Kim, Jonghyun -
dc.contributor.affiliatedAuthor Song, Minsu -
dc.contributor.affiliatedAuthor Jang, Sungho -
dc.contributor.alternativeName 송민수 -
dc.contributor.alternativeName 장성호 -
dc.contributor.alternativeName Jonghyun Kim -
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Department of Robotics and Mechatronics Engineering Theses Ph.D.

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