Classification de signaux EEG et ... - math.u-bordeaux.fr · -1.5-1-0.5 0 0.5 1 x 109 Numéro du...

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Acquisition de données EEG Extraction de caractéristiques Classification de signaux EEG Sélection de variables Classification de signaux EEG et filtrage spatial par CSP sparse Marie Chavent, Frédérique Faïta-Aïnseba, Pierrick Legrand, Laurent Vézard Université de Bordeaux, IMB, UMR 5251, Inria Bordeaux Sud-Ouest, équipe CQFD Séminaire, IECL 05/11/2015

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Classification de signaux EEG et filtrage spatial parCSP sparse

    Marie Chavent, Frédérique Faïta-Aïnseba, Pierrick Legrand,Laurent Vézard

    Université de Bordeaux,IMB, UMR 5251,

    Inria Bordeaux Sud-Ouest, équipe CQFD

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Plan

    1 Acquisition de données EEGProtocole d’acquisitionDonnées

    2 Extraction de caractéristiquesCritère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    3 Classification de signaux EEGLa méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    4 Sélection de variablesFiltrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Plan

    1 Acquisition de données EEGProtocole d’acquisitionDonnées

    2 Extraction de caractéristiquesCritère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    3 Classification de signaux EEGLa méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    4 Sélection de variablesFiltrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Objectifs- Caractériser l’état de vigilance d’une personne à partir de son

    électro-encéphalogramme (EEG).- Créer une interface cerveau-ordinateur.- Influencer l’état de vigilance d’une personne à l’aide de musiques synthétisées.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition

    - Premier enregistrement EEG : sujet dans un état de vigilance haut dit ”normal”- Second enregistrement EEG : sujet dans un état de vigilance bas dit ”relaxé”

    Arrivée du sujet

    Pose du casque

    Premier enregistrement

    EEG

    Secondenregistrement

    EEG

    Séance de relaxation

    Départ du sujet

    Caractéristique Caractéristique

    ⇒ La séance de relaxation est elle efficace ?

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition- Ajout de deux étapes pour effectuer un test VCN (Variation Contingence

    négative

    Séance de relaxation

    Arrivée du sujet

    Pose du casque

    Premier enregistrement

    EEG

    Premier enregistrement

    VCN

    Second enregistrement

    EEG

    Départ du sujet

    Second enregistrement

    VCN

    Test VCN

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition

    FP1FPZ

    FP2

    AF3 Terre

    RéférencetA1

    RéférencetA2

    AF4

    F1 F2F3 F4F5F6F7 F8

    FC1 FC2FC3 FC4FC5 FC6FCZ

    FZ

    C1 C2C3 C4C5 C6CZT3 T4

    TP7 CP5CPZCP1 CP2CP3 CP4 CP6 TP8

    T6T5P3 P1 PZ P2 P4P5 P6

    POZPO3 PO4PO5 PO6PO7 PO8

    O1 O2OZ

    Nasion

    EOGtDroit

    EOGtGauche

    - Durée de pose du casque EEG : 45 minutes.- Sujet immobile, avec les yeux ouverts.- Fréquence d’échantillonnage de 256Hz.- Durée d’enregistrement : 3 minutes (46000 points de mesure).

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition

    - 58 électrodes renumérotées de 1 à 58- Sujets de moins de 35 ans, droitiers et non fumeurs- Deux campagnes d’acquisition

    - Campagne 1 : 44 sujet ⇒ 13 conservés selon la VCN- Campagne 2 : 14 sujets ⇒ 6 conservés selon la VCN

    - Séance de relaxation de 20 minutes par une voix enregistrée proposant 3exercices :

    - Training autogène [Schultz, 1958] : répétition de phrases, auto-hypnose.- Relaxation musculaire progressive [Jacobson, 1974] : relaxation

    musculaire progressive.- Visualisation mentale (lieu familiés, odeurs, bruits).

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition3 minutes d’enregistrement EEG avant relaxation.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Protocole d’acquisition

    3 minutes d’enregistrement EEG après relaxation.

    Bouffée d'ondes alpha

    ⇒ Oscillations caractéristiques d’un état d’éveil passif entre 8 et 12 Hz.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Les données

    4600

    0 po

    ints

    13

    suje

    ts

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé

    13

    suje

    ts

    4600

    0 po

    ints

    6 su

    jets

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé

    6 su

    jets

    Première campagne d'acquisition

    Seconde campagne d'acquisition

    ⇒ Trouver une fonction de classification qui permettrait de prédire l’état de vigilanced’un sujet en fonction de ses signaux EEG ?

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Cadre général de l’apprentissage automatique

    - Variables d’entrées X : variables explicatives

    - Variable de sortie Y : variable à expliquer- Y quantitative Problème de régression- Y qualitative Problème de classification

    ObjectifDéfinir une règle de classification c’est à une fonction g : X → Y à partir d’unensemble de données d’apprentissage

    Un échantillon d’apprentissage est un ensemble de n couples de variables aléatoiresi.i.d. (X1,Y1), . . . , (Xn,Yn) avec

    - Xi = (Xi,1, . . . ,Xi,p) ∈ X ⊂ Rp

    - Yi prend ses valeurs dans un ensemble fini Y = {1, . . . ,K}

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    Sélection de variables

    Protocole d’acquisitionDonnées

    Ici on a un problème de discrimination en 2 classes avec- Y binaire à deux modalités normal et relaxé- p = 58 variables réelles ⇒ extraire une unique caractéristique pour chaque

    signal EEG.

    Deux approches envisagées pour extraire les caractéristiques :- Le critère des pentes : mesure la ”pente” de l’énergie du signal dans les

    fréquences d’onde alpha.

    - Filtrage spatial par CSP et transformation logvar :- Effectuer une combinaison linéaire entre les différentes électrodes en vue

    de maximiser la différence des variances du signal filtré entre les 2 classes .- Caractériser les signaux filtrés par le logarithme de leur variance

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Plan

    1 Acquisition de données EEGProtocole d’acquisitionDonnées

    2 Extraction de caractéristiquesCritère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    3 Classification de signaux EEGLa méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    4 Sélection de variablesFiltrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

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    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentesLa grille dyadique donne une représentation spatio-fréquentielle de la décomposition enondelettes discrète dyadique

    Temps

    Fré

    quen

    ce

    21e

    Énergies

    Points dusignal

    22e

    23e

    24e

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes

    - Alpha : 8− 12Hz.- Ondes caractéristiques d’un état relaxé.

    1/64 1/16 1/4 1 4 16 64 128

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    x 107

    Fréquence (Hz)

    Ene

    rgie

    Régression linéaire entre 4 et 16Hz.

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    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes

    - Alpha : 8− 12Hz.- Ondes caractéristiques d’un état relaxé.

    1/64 1/16 1/4 1 4 16 64 128

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    x 107

    Fréquence (Hz)

    Ene

    rgie

    Régression linéaire entre 4 et 16Hz.

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    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes

    - Alpha : 8− 12Hz.- Ondes caractéristiques d’un état relaxé.

    1/64 1/16 1/4 1 4 16 64 128

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    x 107

    Fréquence (Hz)

    Ene

    rgie

    Régression linéaire entre 4 et 16Hz.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes15

    fréq

    uenc

    es13

    su

    jets

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé

    13

    sujet

    s

    13

    sujet

    s

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé

    13

    sujet

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    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes

    0 10 20 30 40 50 58−10

    −8

    −6

    −4

    −2

    0

    2x 10

    8

    Numéro de l’électrode

    Pen

    te c

    alcu

    lée

    entr

    e 4

    et 1

    6 H

    z

    état normalétat relaxé

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    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Critère des pentes

    0 2 4 6 8 10 12 13−2

    −1.5

    −1

    −0.5

    0

    0.5

    1x 10

    9

    Numéro du sujet

    Pen

    te c

    alcu

    lée

    entr

    e 4

    et 1

    6 H

    z

    état normalétat relaxé

    ⇒ Très forte variabilité inter-sujet⇒ Critère qui ne permet pas de construire un classifieur performant pour différents

    sujets.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Filtrage spatial par CSP

    - Il s’agit de trouver des signaux synthétiques (filtrés) de variance maximale dansune classe et simultanément de variance minimale dans l’autre classe.

    - Les signaux synthétiques sont obtenus par combinaison linéaire des signauxinitiaux.

    f = Xw

    où :X est la matrice de données avec les signaux en colonne,w est le filtre spatial,f est le signal filtré (projeté).

    - Illustration avec le jeu de données IIIa [Schlögl et al., 2005] de la compétitionBCI III [Blankertz et al., 2006] représentant des signaux EEG enregistrés chezdes sujets durant des mouvements imaginés de la main droite et de la maingauche.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    0 200 400 600 800 1000

    −0.

    4−

    0.2

    0.0

    0.2

    Signal EEG de l'électrode F6

    Temps

    Main GaucheMain droite

    0 200 400 600 800 1000

    −0.

    4−

    0.2

    0.0

    0.2

    Signal EEG de l'électrode Pz

    Temps

    Main GaucheMain droite

    0 200 400 600 800 1000

    −0.

    03−

    0.01

    0.01

    0.03

    Signal EEG dans la première dimension CSP

    Temps

    Main GaucheMain droite

    0 200 400 600 800 1000

    −0.

    100.

    000.

    050.

    10

    Signal EEG dans la dernière dimension CSP

    Temps

    Main GaucheMain droite

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    −0.4 −0.2 0.0 0.2 0.4

    −0.

    6−

    0.2

    0.2

    0.4

    Données Brutes

    Électrode F6

    Éle

    ctro

    de P

    z

    Main GaucheMain droite

    ●●●●●●

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    ●●●●●

    ●●

    ● ●●●●●●●●●●●●●●●

    ●●●●

    ●●

    ●●●●●●●●

    ●●●●●

    ● ● ●●●●●●● ●

    ●●●●●●

    ●●●●●

    ●●●

    ● ● ● ●●●●●●● ●

    ● ●●●●●

    ●●●●

    ●●●●●●

    −0.03 −0.02 −0.01 0.00 0.01 0.02 0.03

    −0.

    100.

    000.

    050.

    10

    CSP

    Première direction CSP

    Der

    nièr

    e di

    rect

    ion

    CS

    P Main GaucheMain droite

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    - L’unité statistique est ici un un essai c’est à dire un enregistrement EEG sur pélectrodes effectué durant une période de temps T .

    - Les données d’apprentissage sont constituées de n essais dont n1 appartiennentà la classe 1 et n2 appartiennent à la classe 2.

    - On note Xi la matrice de dimensions T × p des enregistrement EEG de l’essai i .- On note Xc la matrice de dimension Tnc × p des enregistrement EEG des essais

    de la classe c.

    Matrices de variances-covariances empiriques C1 et C2

    Cc =1

    TncXTc Xc =

    1nc

    ∑i∈Ic

    1T

    X Ti Xi =1nc

    ∑i∈Ic

    Ci

    où c ∈ {1, 2}, Ic est l’ensemble des indices correspondant aux essais dans la classe c.

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    - Permier objectif : trouver des signaux synthétiques de variance maximale dansla classe 1 et de variance minimale dans la classe 2.

    - Trouver des vecteurs w ∈ Rp qui maximisent var(X1w) et minimisent var(X2w)où

    Var(Xc w) =1

    TncwT XTc Xc w = wT Cc w

    avec c = 1, 2- Premier problème d’optimisation

    maxw∈Rp

    wT C1wwT C2w

    (1)

    - Solution- w est le vecteur propre de C−12 C1 associé à la plus grande valeur propre.- Obtention d’un ensemble de k vecteurs w1, . . . ,wk maximisant (1) sous la

    contrainte wj C2wl = 0, ∀l 6= j.

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    - Second objectif : trouver des signaux synthétiques de variance maximale dans laclasse 2 et de variance minimale dans la classe 1.

    - Trouver des vecteurs v ∈ Rp qui maximisent var(X2v) et minimisent var(X1v).- Second problème d’optimisation

    maxw∈Rp

    vT C2vvT C1v

    (2)

    - Solution- v est le vecteur propre de C−11 C2 associé à la plus grande valeur propre.- Obtention d’un ensemble de k vecteurs v1, . . . , vk maximisant (2) sous la

    contrainte vj C2vl = 0, ∀l 6= j.

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    On a vu que :- Le premier ensemble de vecteurs w1, . . . ,wk est obtenu par la décomposition en

    éléments propres de C−12 C1.- Le second ensemble de vecteurs v1, . . . , vk est obtenu par la décomposition en

    éléments propres de C−11 C2.

    On peut montrer que- Les vecteurs v1, . . . , vk sont aussi les k derniers vecteurs propres de C−12 C1.

    - La decomposition en éléments propres de C−12 C1 donne directement les deuxensembles de vecteurs w1, . . . ,wk et v1, . . . , vk en conservant les k premiers etles k derniers vecteurs propres.

    Finalement, le filtrage par CSP fournit la matrice W de dimension p × 2k des kpremiers et k derniers vecteurs propres de C−12 C1 :

    W = [w1, . . . ,wk, v1, . . . , vk]

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Transformation logvar

    1 On utilise la matrice W pour construire les signaux EEG filtrés des essais Xi :

    Fi = Xi W

    Fi est une matrice de dimensions T × 2k .2 Pour chaque essai i on extrait une unique caractéristique par colonne j de Fi :

    zij = log(var(Xi wj )).

    ⇒ Obtention d’une matrice Z caractérisant les n essais en 2k dimensions.⇒ Cette matrice de caractéristiques est utilisée pour faire de la classification

    binaire des essais.

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Découpage de nos signaux EEG en essais

    Les signaux EEG des sujets des campagnes 1 et 2 ont été découpés en essais- Chaque signal EEG est découpé en n∗ essais de longueur T soit n∗ =

    (b 46000T c

    ).

    - Changement d’unité statistique : Sujet⇒ Essais

    ⇒ Choix de T (longueur d’un essai)⇒ Choix de k (nombre de paires de signaux filtrés par CSP)

    On a choisit :

    - T = 2048 points soit n∗ = 22 essais de 8 secondes.- k = 3 paires de filtre CSP.

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Critère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    Extraction de caractéristiques sur nos données

    Données brutes

    4600

    0 po

    ints

    13

    suje

    ts

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé

    13

    suje

    ts

    Essais passe-bande filtrés et normalisés

    T po

    ints

    13 n

    *es

    sais

    58 électrodes

    État normal

    État relaxé13

    n*

    essa

    is

    suje

    t 1

    suje

    t 1

    n*

    n*

    2k dimensions

    État relaxé

    État normal13

    n*

    essa

    is

    13 n

    *es

    sais

    T po

    ints

    Filtre CSP

    État relaxé

    État normal

    2k dimensions

    13 n

    *es

    sais

    13 n

    *es

    sais Transformation

    log-var

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    Plan

    1 Acquisition de données EEGProtocole d’acquisitionDonnées

    2 Extraction de caractéristiquesCritère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    3 Classification de signaux EEGLa méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    4 Sélection de variablesFiltrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    La méthodologie généraleDécoupage des essais en deux échantillons :

    - Apprentissage de la matrice W des filtres CSP et de la fonction de classificationbinaire (LDA, QDA, régression logistique, forêt aléatoire...) sur l’échantillond’apprentissage .

    - Evaluation de la performance du classifieur en calculant un taux de bonclassement sur l’échantillon test

    p

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    }{T

    Ensemble des n essais

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ...

    p

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    }{T ...Ensemble d'apprentissage Ensemble test

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ...

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ...

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ......

    État

    rela

    État

    rela

    X1 X2 X3 X5 X6X4 X7 X8 Xn 4 Xn 3 Xn 2 Xn 1 Xn

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    État

    nor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    rela

    p electrodes

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    X X

    }{ 1

    2

    T

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    État

    nor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    rela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    CSP

    p electrodes

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    X X

    }{ 1

    2

    T

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    snor

    mal

    État

    srela

    État

    snor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    srela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    snor

    mal

    ssssssss1Fss=sXssW

    ssssssss2Fss=sXssW

    ssssssss2

    ssssssss1

    ssssssss

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    T

    État

    snor

    mal

    État

    srelax

    éÉt

    atsre

    laxé

    pselectrodes

    État

    snor

    mal

    État

    srela

    X X

    }{ssssssss1

    ssssssss2

    T

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    Pnor

    mal

    État

    Prela

    État

    Pnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    Prela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    Pnor

    mal

    PPPPPPPP1FPP=PXPPW

    PPPPPPPP2FPP=PXPPW

    {2k

    }... Transformation

    PlogPvar

    PPPPPPPP2

    PPPPPPPP1

    PPPPPPPP

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nP-Pn*P

    T

    État

    Pnor

    mal

    État

    Prelax

    éÉt

    atPre

    laxé

    pPelectrodes

    État

    Pnor

    mal

    État

    Prela

    X X

    }{PPPPPPPP1

    PPPPPPPP2

    T

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    frela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    fnor

    mal

    ffffffff1Fff=fXffW

    ffffffff2Fff=fXffW

    {2k

    }...Réglefdef

    décision

    Méthodefdef

    classification

    Transformationf

    logfvar

    ffffffff2

    ffffffff1

    ffffffff

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nf-fn*f

    T

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    éÉt

    atfre

    laxé

    pfelectrodes

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    X X

    }{ffffffff1

    ffffffff2

    T

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    frela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    fnor

    mal

    ffffffff1Fff=fXffW

    ffffffff2Fff=fXffW

    {2k

    }...Réglefdef

    décision

    Méthodefdef

    classification

    Transformationf

    logfvar

    ffffffff2

    ffffffff1

    ffffffff

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nf-fn*f

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    État

    fnor

    mal ...

    Échantillon test

    T

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    éÉt

    atfre

    laxé

    État

    frela

    pfelectrodes

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    X X

    }{ffffffff1

    ffffffff2

    T

    Séminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    frela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    fnor

    mal

    ffffffff1Fff=fXffW

    ffffffff2Fff=fXffW

    {2k

    }...Réglefdef

    décision

    Méthodefdef

    classification

    Transformationf

    logfvar

    ffffffff2

    ffffffff1

    ffffffff

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nf-fn'f

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    État

    fnor

    mal ...

    Échantillon test

    T

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    éÉt

    atfre

    laxé

    ProjectionfenfutilisantflafmatricefWfconstruitefsurfl-échantillonfd-apprentissage

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    {2k}

    T ...

    État

    frela

    pfelectrodes

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    X X

    }{ffffffff1

    ffffffff2

    T

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    frela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    fnor

    mal

    ffffffff1Fff=fXffW

    ffffffff2Fff=fXffW

    {2k

    }...Réglefdef

    décision

    Méthodefdef

    classification

    Transformationf

    logfvar

    ffffffff2

    ffffffff1

    ffffffff

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nf-fn'f

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    État

    fnor

    mal ...

    Échantillon test

    T

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    éÉt

    atfre

    laxé

    ProjectionfenfutilisantflafmatricefWfconstruitefsurfl-échantillonfd-apprentissage

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    {2k}

    T

    ...Transformationf

    logfvar

    ...

    État

    frela

    pfelectrodes

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    X X

    }{ffffffff1

    ffffffff2

    T

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    ...

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    Échantillon d'apprentissage

    État

    frela

    W

    Matrice de filtres W

    {

    } p2k

    ...

    } {2k

    État

    fnor

    mal

    ffffffff1Fff=fXffW

    ffffffff2Fff=fXffW

    {2k

    }...Réglefdef

    décision

    Méthodefdef

    classification

    Transformationf

    logfvar

    ffffffff2

    ffffffff1

    ffffffff

    CSP

    Projection

    Essais projectés

    Z

    nf-fn'f

    État

    frela

    État

    fnor

    mal

    État

    fnor

    mal ...

    Échantillon test

    Taux de bonsclassements

    T

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    éÉt

    atfre

    laxé

    ProjectionfenfutilisantflafmatricefWfconstruitefsurfl-échantillonfd-apprentissage

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    État

    fnor

    mal

    État

    frelax

    é

    {2k}

    T

    ...Transformationf

    logfvar

    ...

    État

    frela

    pfelectrodes

    État

    fnor

    mal

    État

    frela

    X X

    }{ffffffff1

    ffffffff2

    T

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    La méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    Adaptation au problème multi-sujet

    Un sujet = plusieurs essais donc :

    Deux taux de bon classement :le TBC des essais,le TBC des sujets obtenu par ”vote majoritaire”.

    Dans l’estimation du TBC par LOO (Leave One Out), on retire tous les essaisd’un même sujet pour former l’ensemble test lors de la m-ème itération (avecm = 1, ..., q). {

    p

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    }{T ... ...Essais du mème sujet

    Ensemble d'apprentissage Ensemble test

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ...

    État

    nor

    mal

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ...Ét

    at n

    orm

    al

    État

    nor

    mal

    État

    rela

    xé ......

    { { {Essais du sujet 1 Essais du sujet 2 Essais du sujet qSéminaire, IECL 05/11/2015

  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Plan

    1 Acquisition de données EEGProtocole d’acquisitionDonnées

    2 Extraction de caractéristiquesCritère des pentesFiltrage spatial par CSP et transformation logvar

    3 Classification de signaux EEGLa méthodologie généraleAdaptation au problème multi-sujet

    4 Sélection de variablesFiltrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Un problème de sélection de variables

    Objectif

    Trouver la meilleure combinaison de p′ électrodes (où p = 58 est le nombred’électrodes et p′ < p).

    Cp′

    58 =58!

    p′!(58− p′)!possibilités.

    La recherche exhaustive peut être très coûteuse en temps de calcul.

    Solution testées :Algorithme génétique,Méthode séquentielle de type backward et forward,Sparsifier l’étape de filtrage par CSP.

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Filtrage par CSP sparse

    L’idée générale1 Ecrire le CSP sous la forme de deux ACP avec métriques2 Ecrire ces deux ACP avec métriques comme deux ACP classiques3 Sélectionner les variables avec un algorithme d’ACP sparse.

    Plusieurs algorithmes d’ACP sparse dans la littérature, en particulier :Zou, Hastie et Tibshirani (2006) → approche de type ”bloc”Shen et Huang (2006) → approche de type ”déflation”Journee et al. (2010)

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Le filtrage par CSP : deux ACP avec métriques

    ⇒ Réécriture des deux problèmes d’optimisation du CSP :

    maxw∈Rp

    var (X1w)var (X2w)

    ⇐⇒ maxw∈Rp

    wT C1wwT C2w

    ⇐⇒maxw∈Rp

    var (X1w)

    s. c. wT C2w = 1

    maxv∈Rp

    var (X2v)var (X1v)

    ⇐⇒ maxv∈Rp

    vT C2vvT C1v

    ⇐⇒maxv∈Rp

    var (X2v)

    s. c. vT C1v = 1

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    ⇒ En posant ∼w= C2w, on a :

    maxw∈Rp

    var (X1w)

    s. c. wT C2w = 1⇐⇒

    max∼w∈Rp

    var(

    X1C−12∼w)

    s. c. ∼wTj C−12∼wj = 1

    ⇐⇒ ACP de X1 avecmétrique C−12

    ⇒ En posant ∼v= C1v, on a :

    maxv∈Rp

    var (X2v)

    s. c. vT C1v = 1⇐⇒

    max∼v∈Rp

    var(

    X2C−11∼v)

    s. c. ∼v Tj C−11∼v j = 1

    ⇐⇒ ACP de X2 avecmétrique C−11

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Le CSP à partir de deux ACP classiques

    1 L’ACP de X1 avec métrique s’obtient à partir de l’ACP classique deZ1 = X1C

    − 122 :

    - recherche des vecteurs propres uj de la matrice de covariance de Z1.

    - wj = C− 122 uj donne le premier ensemble de vecteurs w1, . . . ,wk

    2 L’ACP de X2 avec métrique s’obtient à partir de l’ACP classique deZ2 = X2C

    − 121 donne le second ensemble de vecteurs v1, . . . , vk

    ⇒ Procédure équivalente à la procédure classique de CSP qui consiste àsélectionner les k premiers et les k derniers vecteurs propres de C−12 C1.

    ⇒ On remplacera l’étape d’ACP classique par une ACP sparse pour sélectionner lesélectrodes.

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    L’ACP sparse

    Le problème d’optimisation en ACP classique

    minF ,α‖X − FαT ‖2 (3)

    F est la matrice n × k des scores des n observations sur les k composantesprincipales (F = Xα)α est la matrice p × k des loadings des p variables sur les k composantesprincipales.‖A‖ = Tr(AAT ) est la norme de Frobenius de la matrice A,

    D’après [Eckart et Young, 1936], si X = UDV T est la décomposition en valeurssingulières de X avec

    - Uk et Vk sont les matrices respectivement composées des k premières colonnesde U et V ,

    - Dk est la matrices diagonale des s premières valeurs singulières de D,alors

    F = Uk Dk et α = Vk .

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Problème d’optimisation de l’ACP sparse de Zou, Hastie et Tibshirani (2006)

    minα,β‖X − XβαT ‖2 +

    k∑j=1

    λj‖βj‖1

    s. c. αTα = Ik

    (4)

    où :β est la matrice des loadings sparses,α est la matrice des loadings orthogonaux,‖.‖1 est la norme l1,βj ∈ Rp est la jème colonne de β,

    λj est le paramètre de régularisation.

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    L’ACP sparse de Zou, Hastie et Tibshirani (2006) :Critère de type ”block”.↪→ Recherche simultanée des k vecteurs de loadings sparses.Implémenté dans le package R elasticnet.Comment fixer les k paramètres de régularisation (λ1, . . . , λk )?

    L’idée utilisée :→ Définir une grille matricielle de paramètres de régularisation qui est une matrice

    Λ = (λji )r×k .→ Augmenter i de 1 à r augmente globalement la sparsité sur les k composantes

    principales de l’ACP.→ Choisir “le pas” i qui optimise un critère en validation croisée par exemple.

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  • Acquisition de données EEGExtraction de caractéristiquesClassification de signaux EEG

    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Algorithme de filtrage par CSP sparse

    Initialisation

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Algorithme de filtrage par CSP sparse

    Initialisation

    ACP parcimonieuse

    Z1

    ACP parcimonieuseZ2

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Algorithme de filtrage par CSP sparse

    Initialisation

    ACP parcimonieuse

    Z1

    ACP parcimonieuse

    Sélection de variables

    β1

    β2Z2

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Algorithme de filtrage par CSP sparse

    Initialisation

    ACP parcimonieuse

    Z1

    ACP parcimonieuse

    Sélection de variables

    β1

    β2Z2

    CSP X1 et X2~ ~

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Algorithme de filtrage par CSP sparse

    Initialisation

    ACP parcimonieuse

    Z1

    ACP parcimonieuse

    Sélection de variables

    β1

    β2Z2

    CSP W X1 et X2~ ~

    Séminaire, IECL 05/11/2015

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Illustration sur un exemple

    - Les 8 premières secondes d’enregistrement EEG du sujet 58 de l’experienceavant et après relaxation sont considérées.

    - Le troisième pas de la grille de régularisation a été choisi et 7 variables(électrodes) on été sélectionnées pour construire k = 2 paires de composantesCSP.

    On compare les signaux synthétiques obtenus- avec les 58 électrodes- avec les 7 électrodes sélectionnées.

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    Sélection de variables

    Filtrage par CSP sparseAlgorithme de filtrage par CSP sparseRésultats

    Illustration sur un exemple

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    −1.0 −0.5 0.0 0.5

    −0.

    50.

    00.

    5

    Paire 1 de composantes CSP

    Première direction

    Der

    nièr

    e di

    rect

    ion

    NormalRelaxé

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