Objective: Electroencephalogram (EEG) signals-based motor kinematics prediction (MKP) has been an active area of research to develop brain-computer interface (BCI) systems such as exosuits, prostheses, and rehabilitation devices. However, EEG source imaging (ESI) based kinematics prediction is sparsely explored in the literature. Approach: In this study, pre-movement EEG features are utilized to predict three-dimensional (3D) hand kinematics for the grasp-and-lift motor task. A public dataset, WAY-EEG-GAL, is utilized for MKP analysis. In particular, sensor-domain (EEG data) and source-domain (ESI data) based features from the frontoparietal region are explored for MKP. Deep learning-based models are explored to achieve efficient kinematics decoding. Various time-lagged and window sizes are analyzed for hand kinematics prediction. Subsequently, intra-subject and inter-subject MKP analysis is performed to investigate the subject-specific and subject-independent motor-learning capabilities of the neural decoders. The Pearson correlation coefficient (PCC) is used as the performance metric for kinematics trajectory decoding. Main results: The rEEGNet neural decoder achieved the best performance with sensor-domain and source-domain features with the time lag and window size of 100 ms and 450 ms, respectively. The highest mean PCC values of 0.790, 0.795, and 0.637 are achieved using sensor-domain features, while 0.769, 0.777, and 0.647 are achieved using source-domain features in x, y, and z-directions, respectively. Significance: This study explores the feasibility of trajectory prediction using EEG sensor-domain and source-domain EEG features for the grasp-and-lift task. Furthermore, inter-subject trajectory estimation is performed using the proposed deep learning decoder with EEG source domain features.


翻译:目的:基于脑电图(EEG)信号的运动学预测(MKP)一直是开发脑机接口(BCI)系统(如外骨骼、假肢和康复设备)的活跃研究领域。然而,基于脑电溯源成像(ESI)的运动学预测在文献中鲜有探索。方法:本研究利用运动前EEG特征来预测抓握与提举运动任务中的三维(3D)手部运动学。采用公共数据集WAY-EEG-GAL进行MKP分析。具体而言,探索了源自额顶叶区域的传感器域(EEG数据)与源域(ESI数据)特征用于MKP。研究了基于深度学习的模型以实现高效的运动学解码。分析了不同时间滞后与窗口大小对手部运动学预测的影响。随后,通过被试内与被试间MKP分析,探究神经解码器的被试特异性与被试无关的运动学习能力。采用皮尔逊相关系数(PCC)作为运动学轨迹解码的性能指标。主要结果:rEEGNet神经解码器在时间滞后100毫秒、窗口大小450毫秒条件下,使用传感器域与源域特征均取得最佳性能。使用传感器域特征在x、y、z方向分别获得最高平均PCC值0.790、0.795和0.637;使用源域特征则分别获得0.769、0.777和0.647。意义:本研究探索了利用EEG传感器域与源域特征进行抓握与提举任务轨迹预测的可行性。此外,采用所提出的深度学习解码器结合EEG源域特征实现了被试间轨迹估计。

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