dissertação

Classificação de sinais de eletroencefalograma utilizando técnicas de aprendizado de máquina para controle de cadeira de rodas

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Universidade Federal de Lavras

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Escola de Engenharia (EENG)

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Programa de Pós-Graduação

Programa de Pós-graduação em Engenharia de Sistemas e Automação

Agência de fomento

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)

Tipo de impacto

Sociais
Tecnológico

Áreas Temáticas da Extensão

Tecnologia e produção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 3: Saúde e bem-estar
ODS 10: Redução das desigualdades

Dados abertos

Resumo

Este trabalho investigou a classificação de sinais de eletroencefalografia (EEG) de imagética motora do Projeto Milo para aplicações em interfaces cérebro–computador, comparando duas estratégias de decisão: (i) uma arquitetura plana multiclasse (Repouso, Esquerda e Direita) e (ii) uma arquitetura em cascata composta por duas etapas (Repouso × Movimento e, condicionado a Movimento, Esquerda × Direita). O pipeline experimental adotou divisão em nível de sessão para mitigação de vazamento de dados (treinamento 55%, validação 20% e teste 25%), pré-processamento temporal com remoção de tendência linear e filtragem, seguido de segmentação em janelas de 2 s (500 amostras a 250 Hz). A extração de características baseou-se em geometria riemanniana, incluindo a estimativa de matrizes de covariância regularizadas, o cálculo da média log-euclidiana exclusivamente no conjunto de treinamento e a projeção no espaço tangente, com posterior remoção de redundância e seleção univariada de atributos. O desbalanceamento entre classes foi tratado apenas no conjunto de treinamento, avaliando-se técnicas de reamostragem como Random Over-Sampling e Random Under-Sampling, Synthetic Minority Over-sampling Technique (SMOTE), Borderline Synthetic Minority Over-sampling Technique, Adaptive Synthetic Sampling (ADASYN), Tomek Links, Edited Nearest Neighbors (ENN), NearMiss e abordagens híbridas, como Synthetic Minority Over-sampling Technique combined with Tomek Links e Synthetic Minority Over-sampling Technique combined with Edited Nearest Neighbors. Foram treinados e comparados os classificadores Multilayer Perceptron (MLP), Support Vector Machine (SVM), Random Forest, Extra Trees, Gradient Boosting, Extreme Gradient Boosting (XGBoost) e um comitê por votação suave, com otimização de hiperparâmetros via random search (100 iterações) e validação cruzada estratificada em cinco dobras, adotandose o F1macro como critério principal, além da estimativa de intervalos de confiança de 95% por bootstrap. A melhor solução global em métricas baseadas em rótulo foi obtida na arquitetura plana com SVM e SMOTE-ENN (kernel RBF, C = 0,1, γ = 10−4 , ponderação balanceada e 13 atributos), alcançando acurácia de 0,826 ± 0,013, acurácia balanceada de 0,825 ± 0,013, F1macro = 0,822 ± 0,014 e MCC = 0,748 ± 0,019; na arquitetura em cascata, o melhor de- sempenho foi obtido pelo modelo Extra Trees com SMOTE (F1macro = 0,796±0,015), porém inferior ao melhor cenário plano segundo o critério de otimização adotado.

Abstract

This work investigated the classification of motor imagery electroencephalography (EEG) signals from the Milo Project for brain–computer interface applications, comparing two decision strategies: (i) a flat multiclass architecture (Rest, Left, and Right) and (ii) a cascade architecture composed of two stages (Rest × Movement and, conditioned on Movement, Left × Right). The experimental pipeline adopted a session-level data split to mitigate data leakage (55% training, 20% validation, and 25% testing), temporal preprocessing with linear trend removal and filtering, followed by segmentation into 2 s windows (500 samples at 250 Hz). Feature extraction was based on Riemannian geometry, including the estimation of regularized covariance matrices, the computation of the log-Euclidean mean exclusively on the training set, and projection onto the tangent space, followed by redundancy removal and univariate feature selection. Class imbalance was addressed only on the training set, evaluating resampling techniques such as Random Over-Sampling and Random Under-Sampling, Synthetic Minority Over-sampling Technique (SMOTE), Borderline Synthetic Minority Over-sampling Technique, Adaptive Synthetic Sampling (ADASYN), Tomek Links, Edited Nearest Neighbors (ENN), NearMiss, and hybrid approaches, such as Synthetic Minority Over-sampling Technique combined with Tomek Links and Synthetic Minority Over-sampling Technique combined with Edited Nearest Neighbors. The classifiers Multilayer Perceptron (MLP), Support Vector Machine (SVM), Random Forest, Extra Trees, Gradient Boosting, Extreme Gradient Boosting (XGBoost), and a soft-voting ensemble were trained and compared, with hyperparameter optimization via random search (100 iterations) and five-fold stratified cross-validation, adopting F1macro as the primary criterion, in addition to estimating 95% confidence intervals via bootstrap. The best overall solution in label-based metrics was obtained with the flat architecture using SVM and SMOTEENN (RBF kernel, C = 0.1, γ = 10−4 , balanced class weighting, and 13 features), achieving an accuracy of 0.826±0.013, balanced accuracy of 0.825±0.013, F1macro = 0.822±0.014, and MCC = 0.748 ± 0.019; in the cascade architecture, the best performance was achieved by the Extra Trees model with SMOTE (F1macro = 0.796 ± 0.015), although inferior to the best flat scenario according to the adopted optimization criterion

Descrição

Área de concentração

Engenharia de Sistemas e Automação

Linha de pesquisa

Sistemas Inteligentes

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

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DOI

Citação

MIRANDA, Giovanna Gouvea Spuri de. Classificação de sinais de eletroencefalograma utilizando técnicas de aprendizado de máquina para controle de cadeira de rodas. 2026. 209 p. (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação). 2026. 209 p. (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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