NeuroGrasp: Real-Time EEG Classification of High-Level Motor Imagery Tasks Using a Dual-Stage Deep Learning Framework

脑-机接口 运动表象 脑电图 计算机科学 抓住 人工智能 解码方法 推论 深度学习 模式识别(心理学) 机器学习 语音识别 心理学 神经科学 电信 程序设计语言
作者
Jeong-Hyun Cho,Ji-Hoon Jeong,Seong–Whan Lee
出处
期刊:IEEE transactions on cybernetics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:52 (12): 13279-13292 被引量:21
标识
DOI:10.1109/tcyb.2021.3122969
摘要

Brain-computer interfaces (BCIs) have been widely employed to identify and estimate a user's intention to trigger a robotic device by decoding motor imagery (MI) from an electroencephalogram (EEG). However, developing a BCI system driven by MI related to natural hand-grasp tasks is challenging due to its high complexity. Although numerous BCI studies have successfully decoded large body parts, such as the movement intention of both hands, arms, or legs, research on MI decoding of high-level behaviors such as hand grasping is essential to further expand the versatility of MI-based BCIs. In this study, we propose NeuroGrasp, a dual-stage deep learning framework that decodes multiple hand grasping from EEG signals under the MI paradigm. The proposed method effectively uses an EEG and electromyography (EMG)-based learning, such that EEG-based inference at test phase becomes possible. The EMG guidance during model training allows BCIs to predict hand grasp types from EEG signals accurately. Consequently, NeuroGrasp improved classification performance offline, and demonstrated a stable classification performance online. Across 12 subjects, we obtained an average offline classification accuracy of 0.68 (±0.09) in four-grasp-type classifications and 0.86 (±0.04) in two-grasp category classifications. In addition, we obtained an average online classification accuracy of 0.65 (±0.09) and 0.79 (±0.09) across six high-performance subjects. Because the proposed method has demonstrated a stable classification performance when evaluated either online or offline, in the future, we expect that the proposed method could contribute to different BCI applications, including robotic hands or neuroprosthetics for handling everyday objects.
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