Enhancing Detection of SSVEPs for a High-Speed Brain Speller Using Task-Related Component Analysis

组分(热力学) 计算机科学 脑电图 脑-机接口 任务(项目管理) 语音识别 人工智能 独立成分分析 人机交互 神经科学 物理 心理学 工程类 热力学 系统工程
作者
Masaki Nakanishi,Yijun Wang,Xiaogang Chen,Yu-Te Wang,Xiaorong Gao,Tzyy‐Ping Jung
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:65 (1): 104-112 被引量:840
标识
DOI:10.1109/tbme.2017.2694818
摘要

OBJECTIVE: This study proposes and evaluates a novel data-driven spatial filtering approach for enhancing steady-state visual evoked potentials (SSVEPs) detection toward a high-speed brain-computer interface (BCI) speller. METHODS: Task-related component analysis (TRCA), which can enhance reproducibility of SSVEPs across multiple trials, was employed to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of SSVEP signals by removing background electroencephalographic (EEG) activities. An ensemble method was further developed to integrate TRCA filters corresponding to multiple stimulation frequencies. This study conducted a comparison of BCI performance between the proposed TRCA-based method and an extended canonical correlation analysis (CCA)-based method using a 40-class SSVEP dataset recorded from 12 subjects. An online BCI speller was further implemented using a cue-guided target selection task with 20 subjects and a free-spelling task with 10 of the subjects. RESULTS: The offline comparison results indicate that the proposed TRCA-based approach can significantly improve the classification accuracy compared with the extended CCA-based method. Furthermore, the online BCI speller achieved averaged information transfer rates (ITRs) of 325.33 ± 38.17 bits/min with the cue-guided task and 198.67 ± 50.48 bits/min with the free-spelling task. CONCLUSION: This study validated the efficiency of the proposed TRCA-based method in implementing a high-speed SSVEP-based BCI. SIGNIFICANCE: The high-speed SSVEP-based BCIs using the TRCA method have great potential for various applications in communication and control.
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