Traitement du signal ECoG pour Interface Cerveau Machine à grand nombre de degrés de liberté pour application clinique

ECoG signal processing for Brain Computer Interface with multiple degrees of freedom for clinical application

• Auteur / Autrice : Marie-Caroline Schaeffer
• Direction : Tetiana Aksenova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MBS - Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 06/06/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Clinatec (Grenoble, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Alim-Louis Benabid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Congedo, Laura Sacerdote, Laurent Bougrain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Cabestaing, Saïd Moussaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique en médecine

Codage

Réseaux cérébraux

Mots clés libres

Interface Cerveau-Machine asynchrone

Modèles de Markov cachés

Mixtures d'Experts

Asynchronous brain-computer-interface

Hidden Markov Models

Mixtures of Experts

Résumé

Les Interfaces Cerveau-Machine (ICM) sont des systèmes qui permettent à des patients souffrant d'un handicap moteur sévère d'utiliser leur activité cérébrale pour contrôler des effecteurs, par exemple des prothèses des membres supérieurs dans le cas d'ICM motrices. Les intentions de mouvement de l'utilisateur sont estimées en appliquant un décodeur sur des caractéristiques extraites de son activité cérébrale. Des challenges spécifiques au déploiement clinique d'ICMs motrices ont été considérés, à savoir le contrôle mono-membre ou séquentiel multi-membre asynchrone et précis. Un décodeur, le Markov Switching Linear Model (MSLM), a été développé pour limiter les activations erronées de l'ICM, empêcher des mouvements parallèles des effecteurs et décoder avec précision des mouvements complexes. Le MSLM associe des modèles linéaires à différents états possibles, e.g. le contrôle d'un membre spécifique ou une phase de mouvement particulière. Le MSLM réalise une détection d'état dynamique, et les probabilités des états sont utilisées pour pondérer les modèles linéaires.La performance du décodeur MSLM a été évaluée pour la reconstruction asynchrone de trajectoires de poignet et de doigts à partir de signaux electrocorticographiques. Il a permis de limiter les activations erronées du système et d'améliorer la précision du décodage du signal cérébral.

Brain-Computer Interfaces (BCI) are systems that allow severely motor-impaired patients to use their brain activity to control external devices, for example upper-limb prostheses in the case of motor BCIs. The user's intentions are estimated by applying a decoder on neural features extracted from the user's brain activity. Signal processing challenges specific to the clinical deployment of motor BCI systems are addressed in the present doctoral thesis, namely asynchronous mono-limb or sequential multi-limb decoding and accurate decoding during active control states. A switching decoder, namely a Markov Switching Linear Model (MSLM), has been developed to limit spurious system activations, to prevent parallel limb movements and to accurately decode complex movements.The MSLM associates linear models with different possible control states, e.g. activation of a specific limb, specific movement phases. Dynamic state detection is performed by the MSLM, and the probability of each state is used to weight the linear models. The performance of the MSLM decoder was assessed for asynchronous wrist and multi-finger trajectory reconstruction from electrocorticographic signals. It was found to outperform previously reported decoders for the limitation of spurious activations during no-control periods and permitted to improve decoding accuracy during active periods.