Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: [email protected] Foot...

13
Iranian Journal of Biomedical Engineering 6 (2012) 141- 152 Corresponding author Address: Faculty of Biomedical Engineering, Electrical & Computer Engineering College - Tarbiat Modares University, P.O.Box: 14115-194, Tehran, I.R. Iran. Tel: +982182883304 Fax: +982182884325 E-mail: [email protected] Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier R. Mohammadi 1 , A. Mahloojifar 2 * 1 PhD student of Biomedical Engineering, Electrical and Computer Eng. College, Tarbiat Modares University, [email protected]. 2 Associate Professor, Biomedical Engineering department, Electrical and Computer Eng. College, Tarbiat Modares University. _______________________________________________________________________________________ Abstract Self-paced BCI systems are more natural for real-life applications since these systems allow the user to control the system when desired. Detection of event periods in continuous EEG signal is one of the most important challenges in designing self-paced BCIs. In this paper, the Event related synchronization (ERS) is extracted from idle EEG signal using fractal dimensions in frequency range from 6 to 36 Hz and sparse representation based classifier. Our proposed method applied on EEG signal recorded during executing foot movement in 7 subjects. The average true positive rate and false positive rate equal to 90% and 5% were achieved. Key words: Self-paced Brain Computer Interface, Electroencephalogram signal, Sparse signal representation. DOI: 10.22041/ijbme.2012.13112 © Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Transcript of Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: [email protected] Foot...

Page 1: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

Iranian Journal of Biomedical Engineering 6 (2012) 141- 152

Corresponding author

Address: Faculty of Biomedical Engineering, Electrical & Computer Engineering College - Tarbiat Modares University, P.O.Box: 14115-194, Tehran, I.R. Iran.

Tel: +982182883304

Fax: +982182884325

E-mail: [email protected]

Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation

based classifier

R. Mohammadi 1, A. Mahloojifar 2*

1PhD student of Biomedical Engineering, Electrical and Computer Eng. College, Tarbiat Modares University,

[email protected].

2Associate Professor, Biomedical Engineering department, Electrical and Computer Eng. College, Tarbiat Modares University.

_______________________________________________________________________________________

Abstract

Self-paced BCI systems are more natural for real-life applications since these systems allow the user to

control the system when desired. Detection of event periods in continuous EEG signal is one of the

most important challenges in designing self-paced BCIs. In this paper, the Event related

synchronization (ERS) is extracted from idle EEG signal using fractal dimensions in frequency range

from 6 to 36 Hz and sparse representation based classifier. Our proposed method applied on EEG

signal recorded during executing foot movement in 7 subjects. The average true positive rate and false

positive rate equal to 90% and 5% were achieved.

Key words: Self-paced Brain Computer Interface, Electroencephalogram signal, Sparse signal

representation.

DOI: 10.22041/ijbme.2012.13112

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 2: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

952 -949، 9319 تابستان، 2، شماره ششم، دوره زيستيمجله مهندسي پزشکي

دار مکاتباتعهده

41441-491: صندوق پستي دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر،احمد، پل نصر، تهران، بزرگراه جالل آلنشاني:

[email protected] پيام نگار: ،204-30331801 دورنگار:، 204-30338821 تلفن:

949

رايانه کاربرفرما با استفاده از -آشکارسازی حرکت پا در سيستم واسط مغز

بندی مبتني بر نمايش تنک سيگنالروش طبقه

*2فر، علي محلوجي9راحله محمدی

تهران مدرس، دانشگاه تربيت برق و کامپيوتر،مهندسي دانشکده بيوالکتريک، گروه ،مهندسي پزشکي دانشجوی دکتری[email protected]

تهران دانشگاه تربيت مدرس،برق و کامپيوتر، مهندسي دانشکده دانشيار، گروه بيوالکتريک،

_______________________________________________________________________________________

چکيده

. کنندپذير ميامکان را با فضای خارج تر کاربرسنکرون، ارتباط طبيعي BCIکاربرفرما در مقايسه با سيستمهای BCIهای متسيس

کاربرفرما مبتني بر BCI هایکليدی در طراحي سيستم ایمسأله EEGهای وقوع حرکت در سيگنال پيوسته آشکارسازی بازه

بند مبتني بر نمايش طبقههرتز و طراحي 36تا 6فرکانسي حرکت است. در اين مقاله با استفاده از ويژگي بعد فرکتالي در باند

اتفاق EEGکه بالفاصله پس از وقوع حرکت پا در سيگنال -(ERSهمزماني وابسته به رخداد ) کتنک سيگنال، پديده نورولوژي

تک کانال ثبت EEGسيگنال بر. روش پيشنهادی اين مقاله، شدزمينه تشخيص داده با دقت قابل قبولي از سيگنال پس -افتدمي

دست آمد.برای همه افراد ب avrFPR%5=و avrTPR %90=کاربر حين انجام حرکت پا اعمال شد و متوسط 7از شده

کاربرفرما، سيگنال الکتروانسفالوگرام، نمايش تنک سيگنال رايانه-سيستم واسط مغزکليدواژگان:

DOI: 10.22041/ijbme.2012.13112

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 3: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

��B���9�����K��

1Brain Computer Interface����������������������� 2Amyotrophic Lateral Sclerosis���� ���3Synchronous��� ������������������������������� ���������������� �������4Idle state 5Self-Paced�������������������������������������������6Event-Related Desynchronization� ������7Event-Related Synchronization� ���� ������������� �����8Electroencephalogram 9Electromyogram�������������������������������������������������������

#�

$ ���<�

�3��4!���567�!-�8��9�(BCI)*������:��;������<�=���;��>��

��5?��@�;�3��;��6�A�B@�C9�D�E����"��F��D��4�G�����"��H*I�J

E� 8K�� ;�?%���� ����6� 8� �8:"��E��E�:! �L�:M�MG� % �8:N�O�

;���67�! BCI '!����P &�7�� E��� �;%��:@� �':!� �8:� �8:��

O�� % 567�! ;%�O ��$D�=�� �Q% RM� �9 A�6S� ��PT���

�"��� ������ UK@ � �:��� �V:W> � O�:X�ALS 0�� ��9�:! �%��:@� ��:��

������;�? 6��� YK6X��J;�?%�������� Z9� �56:7�! ��:�"� ��8:�

[���8�� ��! %��@� ��KB� ���%��G�� :��8#K�� %�P���8:���:�����

��E�;�\@ %��@� 5A�! ]��6�� ��� %�� %�PJ �E���� ;��?���

YK6X� 8� � ���DBCI�����:6"��;��:� �;E�:��;�:? �8:��9��;��H0I�

����%�:@�8:���:�G"��;�3��;�(A��R�X$��C9�D�E��%��@�� 9�!�"P

�����H1I��(9%�]�"6����7��;�?%������ ���E�%���H,I�J

�������;���6:7�!� :���D�%BCI ���"��:�� ����:�O��L�:M�MG����:��

8M=D�;�"� ]���� �;�:�6�A�B@ ���:���6�� :"?^ ��%�:� �':!��J��Z:9��%

���67�! ���� ��9��;�(A�����C=W"� ���E;�"� ��P�;� 8� �_�:`���

;��6�A�B@ "?^ "�B� %E�%����Ja�! �E��E�� 9�? ��"(�! �;�:3��

Z�� �_�:`�� �':�A�B@ ��bE�%�:�� :"?^ � �]�:� �':�A�B@ �RX:$��

��%�P�J8��("9� � ���6:7�! ����#":!1 ���:���� � :�����:PH.I�J%�

;���67�! ���#"! ����@ _�`�� '�A�B@ "?^ �56:7�!�F�D�E��

8� ���� ���%�%%�PJ �%�c6!� E� ;���67�! ���#"! �'9%��:G��

�� % ;%�E� <�=�� %�@ �� 4�G� ��%�`9�T�"� ��:�"����9E %�

�E��� ���E�;�? Z��B� ��P E� F�D �����567�! �E��� ���:6"� ��

��N %�%�����@J "B� ��� :B�=D�<�=�� ������ 4�:G���:�� :B>���

'!� 8� %����� �? � ��:�E �����:"����:6"����56:7�!��:���6� .�8:��

�d"� 4�G���������� B�=D�<�=���;��>�� _Ee '!� �56:7�!�

'�K��> R�X$����E�:���;�:? �]�:>� �':�A�B@ �E���� :"?^ ���"(�:!�

;%�X�%�S, 86P�%��3� ��:P���J����56:7�!��� �6:7�!�Z�:"QBCI�

���� ���@. ���"����HfI�J8Ag7� R�X$� %��S � :"?^�'�A�B@ ��

;E�!��� �� E� ��"(�! �;%�:X�%�S ��:3� �Z9�:6��� �hA�:Q %�

;���67�!� ���D ���� ���@ '!�J��

�����������:��@�����;���6:7�!� :���D�%���"��:��8�� "?^�'�A�B@

����:9�_�:`��� ��P�8�����6$������������ ���:���':����_�:`����:��

'!��i�S�H/ jI�J%��S�8��867���� �����?��f�(ERD)������:=>

�������%��:S�8:��86:7���� ��:���?�Z�:"k�?���':����_�:`���Z��j�

(ERS)�86S�"P�L����3�� '����_�`���E��a����P��8:���"67?�;�

����"(�::!�%��::6�����::��� ::7����@�;�?�::�����%��::G��%EEG/�

���?�l�RXP����P�H+I�J���9��ERS������bE�:���8:��E�:������:�

� N�S� 7����@������%�;�>�����9���L���� ����m�8��867���

�����n���%����:��h9��:@��L����'����]�>��E��a��8KN�@��

���"(�!EEG� ���?�l�;���� =!�"��;�3��;�(A��Z9�����"��T%�P

���"(�!�%�'����]��P�8dGA�;E�!�#P�EEG���%���86:!���

�8`�6���':!���:��@�����567�!� ���D�H*2I�J���':A����%��:?�%

���::B@� ���::$��;�::3��;�?�6S�::!� '::�����::�����'::���

�����"(�:!�%� ���$��L����3�������P�EEG ��� :���?�:l��T%�:P

C�>%�Z��B���d"��8��Z9����"��o7Q��������pe�:�B�� ��6"���E���;�?

������Z�:"Q� :���D�;��:��':����;��:���Z�����P�'=q���%�%�E�

! ���%�c6!�� 9���67�%�P�H**IJ��

������;��A�"(�::!�8::�� 9�::`���E�EEG� ::r9��T�"6::7?�;�9�::��

��[::9s�A�9��@�;�::�6�A�B@����::P�Z�::"k�?����::��%� ��6::79���t

��"����u�KW���EMG+�%�����;�?�(7���9�������P������9���

�"67?�'=q�567�!�%�J�;�>���"(�!�bE�%���;��P��E���%�c6!�

8M=D���"���������6:7�!�Z:9��%�:#K�O�%� :!�!�� $M��������;�?

%�%�J8M=D���;��:P��E�� :#9���"(�!�["��h9������� "6=��;�"�

�������:���:(A�� 9�:!�"PE����E���%�p���S��8��'!�����������9��

'!����P�8������7��H*0I�J���Z6@�:9� :"B��8��["��h9����8Ag7�

�%�$@�L������"(�!�E��h9����Z9�6#"����Z9���� :WS�o����

��':!���:������@�;�"$#9%�a9�����;����6!�E��H*1I�J��h9�:��

��["�������:�E����"(�:!�E��[:"�����%�$@�Y�N���8v�����������

8O��`�� WS�o�����L������;��:�� :PE����;��A�"(�!�E��;�

8M=D ���%�c6!����"(�!�;�"��%�P�J�%�67��W��b��Z9��8��;�

�����8:K���E��Y:K6X��;�?%�����%������"(�:!�����:�Q� 9�:!�"PE

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 4: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

������������� ������������������������������������ !" �� # �$� %���

10Arvaneh �11Common spatial pattern����� ��12Yu��������� ����������������� ������ ���������� �������13Norm Minimization 14Linear Discriminant Analysis �15Fractal Dimention� ����� 16Graz University��������������� ������������������ ��������������������������

17trial

#!�

���8:M=D�':>%�8:v�����C@���%�#K�O���A%�8�� '=GN���%�:9E�;�:"�

'!����P�8����H*,IJ����"(�!�["��h9�������4=����;��P��E�

�;��A�"(�::!�bE�%�::���E�::��%���"��::�EEG���BCI���::D�8::�

'!����P��%�c6!����6X��JV="��%�H*.I������:"B��["��h9����E�

8K�!���!����;����;�h���8K����%�V��"��;E�����%�c6:!��bE�%�:�

���:"?%�%�:=����� r9��w��X6!���9���Fx��������'!����P�J�%

V="��H*fI�8����*2�����%���["��<�P���%���b���h���#�?��

8@�y����� ��#���6K�@�o9��y�u�X6���%����[:"��5�:d"��8cAz���%��

8::"����8Ag::7��%��;E�::!CSP**��::�%�%���::$�����::""����::�O����::�

8@�y���8:M=D�'>%�<�P�Z9���%����� :��%�:=���;�:"���:��9�J��:9*0���

V="��%�h���#�?�H*jI��569�(A����� "6=��["��h9����b��E�

_��*1����R�X:$�������:��;��P�?�'A��������%����%�c6!��[9

�"?%�J�� �:���'����������� "6=�����#"!�;���67�!��E���%

����':!%�':�����:���8��<�����;��A�"(�!�;E�!�����d"��8�

���%�c6:!����A�"(�!�["��h9����b��E���(9�#9�E��{Q���'!�

��b��Z9��8����P��%�%���$��'9����%���'!����P����%��:��

8M=D����879�M���C@����"�LDA*,��������#":!�;���6:7�!��E�:��%

�P���86P�%�;�6���%�#K�O�H*1I�J��

�����8M=D�b��%�#K�O�8A�M��Z9��%��[:"��h9����;�"=�����;�"�

������%��::��@�����;���6::7�!�%��::��Z�::A���;��::������"(�::!

�E���;E�!�#P������86:!������"(�:!�E���:��'����]�>��;�?EEG�

�� �� !5�"��J����:6��@��:B��;���r9�����B�*.���;�?�:����%��

C@���;E�!�#P��;�����6���������%��G��%�YK6X�� 7����@����

���9��ERS� ��w��X6!�5�"���J��

�������� :@�B��8:��8N�S��D�8��_�%�hX��%� 8A�M��Z9��8��%��%

� ::����::%�%�8::O��`���b����::6���_�::!�h::X��%� 59E�%�::�

h���bE�%�����;��:��;%��"$���b��a�!��� r9��w��X6!���

8M=D� ���D�� :��8v���["��h9������� "6=���"���%�:P�J��h:X��%

�;�3��|�v�!� ���D�%�;%��"$���b��E���%�c6!��U9�6��_��Q

�8:`�6��'9����%���b��������8:v���5`":��h:X��%�8:A�M��;�:�

��%�PJ��

�$ ��F�)��b2-D�

���%�%�8O��`�-��($9��E��8��BCI��������($��%*f���%�h9�:��

%�%���>������6S�-��E�j��5A�!�%�@m.����%��0�� "!�Z�(���������E

*J,�Jf}0,�n���':!����:P�':=q����'����_�`��� D�H*/I�J��;��:�

86!%� A�"N�;���������%�%�'=q�8KN�@�8�� 6����%0}*��6�

��������M�����������h9����8GcN�E��'7$�.��:!��S������E��86

������8:����':����:����:#���[9���9%����'=q�[���?�%�8���P

���5:S��:��|��8�����E����%�S�;����%��?� h9����8GcN�%�Z�9��

���:?%�':����8���q�[9�L���8���K����oMO�'�!�8���%���J�%

�� :����:9%� ?��!�~GcN�������?�;��6����:P�J���:�E�%�t=0�����:9

�':=q�[���?�;��6��*j��':��O� ��������=:!��:���:���8Gc:N�%��

���?�l�h9�����P�J� _�%�8���q�%t=2s�������:��8���� 9��N�

��oK��������Z�9�:��'�:!�8:��h:K@�':��O�8dGA����?�%���%��

���?�l�P�J����8:���>��:���:���%��?�'����;�"B��8��'��O�Z9�

'!��8���q�[9�L���J����E�%���#���'��O=3.25s�t��'��O��

��������E�%t=6s� ���9������P��J����Et=7.5�����:?���:9���8���q

%���'=q�[��J�Z�(������W�����E��a�*���':=q�[��]��P����8���q

�;�B�%���8KN�@H�J�'�7>mun��#Pm*�In���:?�;����o�����Z9��

��'=q�8������;�����8!�RXP��E���#:$6��������?����P12�

�'=q�[�.}j�8���q%������'����_�`���;��J*f�[��%��6#A���� :=W>

-�8� �����3���$>� 6���� 7�� ����������P��-����':=q�;��:�

���"(�!EEG���%�����P��%�c6!�H�J'�7>m�Y:A�n���#:Pm*In����:�

�Z9��E���%�c6!�*f������;��:��Z�:!��e�b��8:��V:�������3�� �����

������Cz�'!����P�_�`���J�����8:W���C��:W��8:��o:�����Z9��8�m*�n

�������;�"��;��A�"(�!�4!�6�Cz�E����8=!�G����5:����"(�!���

'!����P)

m*n ��

1

4j

Lap

Cz Cz k

k S

V V V∈

= − ���

� �VCz���8W���%m*�n� GW!���7��6�EEG��������%Cz���':!�

��Sj��8::O��`�,����%��::��B6��L�::���8::��'::!��;%��::6#A�

� (9�7�?Cz����%���>�J������"(�:!��:�"��8:��%�P���^�'!��_Ee

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 5: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

��B���9�����K��

##

VCz�������6S��%��������($��%�;�!�E���E��8:��%�����P��%�%���>

.}2����.2���"?��������6K�@����?0.2�8��������?��P�;�%��J��

��

!$ >��

�;E�!�#P���d"��8���y���8A�M��;%��"$���b��hX��Z9��%

�E����86!������"(�!�E�������'����;�?EEG�� :����y����5�:?%�J

�8:M=D�E���%�c6!�������P� ���D�567�!�;�����������:�� :"6=���:"�

�����#:P�%���"(�::!�[:"��h9�:��m0�n�'::!����:P��%�%�h9�::���J

h���8K���%����"(�!� bE�%��EEG����:���;�?�6K�@�E������:��x:

��%�%��=O�'��q�'�c���o9�y�P�H*+I����:B��;���r9��a�!��

���Y::K6X�� ::7����@�;�?�::����%����::6K�@���"(�::!�E�� A�::6��@

�P�w��X6!��J���r9��E��C�MG��Z9��%������:%�%� A�:6��@��:B��;

����;�":$#9%�a9���:��;����6:!�E��[9��?�Z6S�!�;���� PE���

�P��%�c6!��J8M=D� ���D�%�hX��Z9�6�����h9�:������ "6=���"�

��p���:������;�"$#9%�Z9����'!��o!�"��;�"$#9%� ���D�["�

��������E�:@�%�o:!�"����:%�%�u�:X6����� :r9��w��X6:!����:G��8�

'!��867����bE����J�����8M=D�Z9��;E������T':!���%�:!���7���"�

������:�"����':7��� :N�S��6���:��Z��B��8��E����bE����E�@�%���9E

8�����E����P�w��X6!��;���r9���;�"$#9%�[9�%� PE����;�?

���%�%���>�����:P�J������ ��:X�� :r9��w��X6:!��b���:��8:6=A�

8M=D�%�#K�O� �P�����$��u�X6�� ����>���qg��'G���"�%��J��8�

8M=D�Z9��E���%�c6!��%��(9%�L�=O��� :r9��w��X6:!��b���"�

%�%� ������7��hM��J�������:��;�":$#9%�a9���:����#:$��E��a:�

�E����6��@��B��;���r9�����E��E�@�%� bE������%�%�E���%�c6!�

�E���8���q�[9�;�?������:P�w��X6:!����:�E����"(�:!�;��J����:��a�:!

��;���69�(A��E�� #9�E���%�c6!���E��h9�:���Z9�6#"�� ["��h9��

��a9���:��;�����&�!����������E��8�����8��<����� r9���%��

����'!���;�"$#9%�J����8:��8:�� 9��:P��E���%�c6!�����'9����%

�������8��%��%����c�����%�8:����:���'!���o9��y��%������P

8M=D���6"����t�����6"��86!%����P�;�"�J��

��

���#Pm*n-���?%��6#A��'�B>��mYA��n��;�(A��'=q��������%�%�mu�n ����$����'=q�[��;�"=���E�8����?%H*+JI��

���#P�m0n-��567�!�;������BCI���"(�!�["��h9������� "6=��;%��"$���J�;�"$#9%A��;�?�����%���6��@��B��;���r9��E���%�c6!����� 7����@

�P� ���D� PE������%�%�E����P�w��X6!��YK6X��JE����y��%���Z6@�9��d"��8��[9�_���5��"���b�9�oX��"(�!�;���� ���������������������

����E�y��P��%�c6!�J

��

��

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 6: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

������������� ������������������������������������ !" �� # �$� %���

18Katz 19Asynchronous

#%�

�����h�����6���8��%��%���bE�%�:�������:y����� :r9��w��X6:!���

��8M=D� ���D���G��a�!���5�?%�����[:"��h9������� "6=���"�

����P�������D�8��5�?%�Ja��b����� ��:9E����:G����bE�%��

��8v���hX��Z9��;��6���%�����567�!�%�#K�O�%�PJ��

!$ $�A2���FV���N)7_��)���>�)�7���

�"��E���%�c6:!�����'=q�[���?� bE����E�@�%���:`���� ��:�E�;�:?*�

8���q�� ��P���?������;�.22�� :K��������:�E�E��8:���qt=-1s����:�t=9s�

m���'::����]��::P�8::dGA��::�t=0s�59�::�(���::d��%�n��::�KG�

��%�P�J�����:`"��Z:9��E��[:9��?�%���"(�!�;������� ��:�E�;�:?*�

8���q���:6��b��8:�� A�6��@��B�� r9�� ;�*/�m�%1-*-*����:P�

���%�%%�P�n�w��X6!� �%�P�J������:����Y�:N���8:v����:d"��8�

���"(�!EEG���<�:����;��A�"(�!� �6�������� 7����@��%��G��%

���`"���?�8�*�8���q��%���36����D���� 7����@�;�?�����%���6���;�

*,���E���%�;�����a����@f����1f��;�?�6K�@�E���%�c6!����� ���?

�'��q�'�c���o9�y��� Q=2��Q=3� ���6K�@��P��H*+I�J��a�:!

����P� r9���%��0/�� 7����@�;�?�����%� A�6��@��B�� r9�

����A���YK6X�%�P�Jh���8K����%�F�?�Z9�6�������bE�%�:�

��9���w��X6!�� r9��w��X6!����[:9s�A�9��@����;�? ERD��

ERS�����"(�:!�%����'����;����������������8��<����EEG�

'!��J�8��867���� �����?���%��S (ERD)���;s�:���h?�:�����?

8#=P�867=�?���P���B@���A���8��'!��;�3��;���69�%���;�:?

�������':����_�:`���E���:=>� �:3���$>�E�� N�S� �����%� =�O

�� :����:9%�'����_�`���Z��� ?��%�:P�J����8:��86:7���� ��:���?

%��S(ERS) ���8:��'!���6��������;�3��;���69�;s����h9��@�

�h������ B�=D�'A���8��'$���������%���P���B@��t���A��

8#=P� �����%� =�O�;�? ���':����_�:`���E��a���3��E�� "�B�

��%�����9��J����� '����8��867����'�A�B@�_�`���Z��ERD���

������=���ERS� ����?%�J��Z9��8��'!����^���9�P�;�����?�(A

�� :����:c���;%�@�8����G"�� 7����@������%�RXP��?�����:6@�

'!��L��c6���(9%�RXP�8�� �XP�E�����������E����������J�8�

�������:�E�V:9E��� 9�:!�"P���8:�A���h:��%��%���'!%�8���d"�-

�;����'=q�[��[9�%���"(�!�;s����L����3��;�?�(A�� 7����@

����;�:?�(A���9��:��� ���:���?ERD/S��������:@��_�:��E���%�c6:!���:�

BioSig�H02I�-����V:="��%���:P�8:v���569�(A��&�!�����8��H0*I�

'!����P�����-� ��5!%�P�J��#Pm1�n�8$M�ERD/S������S4�

� 7����@������%��2-1.�����[:��[:9� ��:�E��%��G��%������?

����$��'=q�?%�J��V:="��%���:P�8v���U9�6��8��8�������H*/I�E��

� 9�`���������:9���w��X6:!���:�� :"6=��;���@�����567�!�8�ERS�

C@���%�#K�O�����:�� :"6=��567�!����879�M��%�;��ERD��%�T%�%

o7Q���8A�M��Z9����w��X6:!��&�!������� PE������%�%�;�x

�;�(A�ERS�59�%�_�`���J�������E�:�� bE�:���E�:@�%�o:�����Z:9��8�

� ���Et=4.5-5.5s���~:M=D���'=q�[���?�%*�m��%��:S�8:M=D�n��

�cN�8M=D��������E�8�M��m%��S���t�8M=D�n59%E�o7Q���J��;��:�

�RXP��?0������_�:!�;��:������:P��%�c6:!��bE����E�@�%�����

���#"!����86!����L�������E����"(�!����"B�*+���:P���KG��J

8�=P��d"��8�����E��E�@�%���:B��;���r9�� 4S���567�!�;E�!

"�����O���������6��@����3A���`*�8���q�_����D����;�*���E��8:����

59%���w��X6!��_�!�;�������"(�!�J���[:9��:?�8���6M�>%�L�=B�

8�����E������]�:>��8:dGA��:��'@��CKB�� =7Q���_�!�;�����;�?

67�!�o�����Z9��8����%�P��%�%�R�X$����'������:��@�����5

8�=P���%�P�;E�!J��

���#Pm1n-����E�8$M�-���9���a����@ERD/S�������8��<����s4��

!$ $ $�?��67;��L���

567�!�8��(��P���6@� ��������E�� WS��t�;�?��;�?��7�� �d�

�� D�'A���;�\@�%�8�� !�"?��� :��Z�:�B���:""�����:B��T%�:P

�����d"��8��8��'!�� WS��t�;�?�����E�� #9� A�6��@��;E�!

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 7: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

��%���5�:"�

�����8:��<�:����L�:�v�������:�E�

��;�:?

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

� ::���D�

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

�YK6X��;�?�6�����Z��B��8���"�

��bE�:�����%�%�E��8��;�

���;��:����:�E��E�@�%�8��'!���������@�;�"$#9%�8����%�P

���[:9��:`"9��%

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

�;���r9�

���:���

��o:7Q���8��8�������a�!���5�"�

�����%���6:!�[:9����:"B����;�:B�

�'����%��S�~M=D�8��<�����8�

����

�J

i�

i=NC�

� :����������%���5�:"�

�����8:��<�:����L�:�v�������:�E�

��E�:��R�X$��%���["��h9��������E���%�c6!�� (��(Q���;�:?

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

��H01I� ::���D�

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

�YK6X��;�?�6�����Z��B��8���"�

��bE�:�����%�%�E��8��;�

���;��:����:�E��E�@�%�8��'!���������@�;�"$#9%�8����%�P

�J���[:9��:`"9��%

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

�� ���D��6�������� 7����@�;�?�����%�5�"��J�;���r9�

�%���"(�:!�;��m����:���

��o:7Q���8��8�������a�!���5�"�

�����%���6:!�[:9����:"B����;�:B�

�'����%��S�~M=D�8��<�����8�

����>5�?%J

���B��� r9���%���[9���6!��?

�<�����bE������%�%�E��;�

�8��<�����'�7>�%�����P�w��X6!����6"����t�����6"��;�?

'!����P��%�%���>�;�"$#9%�%��d��%���8M=DJ��

���� :����:$����;�":$#9%�Z:9�� ���D���G���:?%�J

������8:M=D�8:��<�:���� :PE����;�:?i

���:6"��n��i=NC

��9�[9�_���5��BP02�� :��������

�����:%�%�;�:"�������8:��<�:����L�:�v�������:�E�

��E�:��R�X$��%���["��h9��������E���%�c6!�� (��(Q

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

]��6�,D;�97������8)7=��

V��::"��%�H*0I��

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

��YK6X��;�?�6�����Z��B��8���"�

�%�c6!����"����%����E����bE����E�@�%��bE�:�����%�%�E��8��;�

���;��:����:�E��E�@�%�8��'!���������@�;�"$#9%�8����%�P

���%�c6!�����E����"(�!�["��h9����8v���%�P�J

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

�� ���D��6�������� 7����@�;�?�����%

���8:���q�[:9�;�:?�%���"(�:!�;�

��o:7Q���8��8�������a�!���5�"�

�����%���6:!�[:9����:"B����;�:B�

�'����%��S�~M=D�8��<�����8�

��6"����t�n'!�-� ����>

:���B��� r9���%���[9���6!��?

8���q�[9�hX��[9�E��8��'!�� A�6��@��<�����bE������%�%�E��;�

�8��<�����'�7>�%�����P�w��X6!����6"����t�����6"��;�?

'!����P��%�%���>�;�"$#9%�%��d��%���8M=D

���� :����:$����;�":$#9%�Z:9�� ���D���G�

������8:M=D�8:��<�:���� :PE����;�:?

�������:��':����8:M=D���:%�%�;��:�m���:6"�

"������ "6=��569�(A���9�[9�_���5��

8M=D���G��'9���������:%�%�;�:"�

��E�:��R�X$��%���["��h9��������E���%�c6!�� (��(Q

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

]��6�,D;�97������8)7=

8::v�����::��&�::!���::����::P V��::"��%

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

��_�`��� PE����%�P�J8M=D�Z9��

�%�c6!����"����%����E����bE����E�@�%

���;��:����:�E��E�@�%�8��'!���������@�;�"$#9%�8����%�P

���%�c6!�����E����"(�!�["��h9����8v��

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

�� ���D��6�������� 7����@�;�?�����%

�h:X��E������8:���q�[:9�;�:?

��w��X6!��YK6X�� 7����@��o:7Q���8��8�������a�!���5�"�

� r9���%���Z9�� hX���?m������%���6:!�[:9����:"B����;�:B�

�;�"$#9%�a9�����E�� 6�7>-�'����%��S�~M=D�8��<�����8�

�%��S���t��9��m��6"����t

;�"$#9%� ���D���G�

8���q�[9�hX��[9�E��8��'!�� A�6��@

�8��<�����'�7>�%�����P�w��X6!����6"����t�����6"��;�?

'!����P��%�%���>�;�"$#9%�%��d��%���8M=D

���� :����:$����;�":$#9%�Z:9�� ���D���G�

�%�%����%��B��������8:M=D�8:��<�:���� :PE����;�:?

�������:��':����8:M=D���:%�%�;��:�

����K��

"������ "6=��569�(A�

8M=D���G��'9���

��E�:��R�X$��%���["��h9��������E���%�c6!�� (��(Q

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

��5�"��J��

!$�$ $�]��6�,D;�97������8)7=

8::v�����::��&�::!���::�

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

��_�`��� PE���

�%�c6!����"����%����E����bE����E�@�%

�����;��:����:�E��E�@�%�8��'!���������@�;�"$#9%�8����%�P

���%�c6!�����E����"(�!�["��h9����8v��

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

EEG � �� ���D��6�������� 7����@�;�?�����%

����:6��@��B��h:X��E���

��w��X6!��YK6X�� 7����@

� r9���%���Z9�� hX���?

�;�"$#9%�a9�����E�� 6�7>

m��6"��n�%��S���t��9��

�#Pm,n-�;�"$#9%� ���D���G�

8���q�[9�hX��[9�E��8��'!�� A�6��@

8M=D�8���8��<�����'�7>�%�����P�w��X6!����6"����t�����6"��;�?

'!����P��%�%���>�;�"$#9%�%��d��%���8M=D

�������#Pm,�n���� :����:$����;�":$#9%�Z:9�� ���D���G�

���"����@����%�%����%��B�

�'!�Hi=C��������:��':����8:M=D���:%�%�;��:�

��B���9�����K

����� A�:6��@��:B��8:�� 9�:`���E�

��;��� �"�

�����"(�:!�;s�:���L����3��w��X6!��;���� =!�"��u�X6��������

��8:���P��� 6����a#����;�������%

����b��8:!�E��8:A�M��Z:9��%

����:P��%�c6!����6��@

�� %�:!�Z�"k�?�������9��� `9�6��Z6P�%���A%�8���6��b��8�

�� A�"(�:!�;�����6��b��8����6��@��B�

FD

��

���� :!��K>���:N��@�]�:�`�

�����:��� :!��K>��8KN�@

�%�%�����8:�����E����8KN�@�Z9�6$���8��;��n

��0����:�36�

�����:M����8:"�0�

����[:���"9%�L���:!���%�8"�:$���;s�����9� �d�

���������Z6@�:9�&�:!���:�� 8:A�M��Z:9��%���:P�8:v���;�:"�

��������:P� :���D� :N�S�;�":$#9%�%���"(�:!�h9����Z9��

[::"��Z6@�::9���Z9�::�

������E�� :WS�o:�����L�:�����"(�:!�[:9�E��h9����Z9��

��["��h9������������

������L�:�����:�E����"(�:!�E��[:"�����%�:$@�Y�N���[9�8v��

8M=D�;���� PE����;��A�"(�!�E��;���;�:"�

����:7��;�"$#9%� ���D� b�

��� ;�":$#9%�;��:���o!�"����u�X6���L�N�%���9E�T'!��5��

������:6���h:X��Z:9��%

��� A�:6��@��:B��;���r9��E���%�c6!�������;�"$#9%� ���D�b�

��������[:"��h9�:��� :WS���:��a�:!

"������ "6=��569�(A�

8M=D���G��'9���

��E�:��R�X$��%���["��h9��������E���%�c6!�� (��(Q

�����8:v�����:�c��8:��;�:3��8"��E�a����"(�!�E�����'����%��S

!

8::v�����::��&�::!���::�

���������:%�%�E����:P�w��X6:!��;�:��r9��E���%�c6:!���:��;�"$#9%

��_�`��� PE���

�%�c6!����"����%����E����bE����E�@�%

���%�c6!�����E����"(�!�["��h9����8v��

������"(�:!���:6��@��:B��;���r9��&�!�������;�"$#9%�a9����

EEG

����:6��@��B�

��w��X6!��YK6X�� 7����@

� r9���%���Z9�� hX���?

�;�"$#9%�a9�����E�� 6�7>

m��6"�

8M=D�8�

�����

���"����@

�'!�

����� A�:6��@��:B��8:�� 9�:`���E�

�E���������"(�!� �d� ��;��

�����"(�:!�;s�:���L����3��w��X6!��;���� =!�"��u�X6��������

��8:���P��� 6����a#����;�������%

����b��8:!�E��8:A�M��Z:9��%

��B��8=!�G��;����[�!�!����6�� Q�9�?����:P��%�c6!����6��@

�� %�:!�Z�"k�?�������9��� `9�6��Z6P�%���A%�8���6��b��8�

�� A�"(�:!�;�����6��b��8����6��@��B�

%�P)��

1log(

log(

N

FD

=

���� :!��K>���:N��@�]�:�`�

���"(�!��W>m�����:��� :!��K>��8KN�@

�%�%�����8:�����E����8KN�@�Z9�6$���8��;�

�Z��� O�����"(�!��?�;������6��@��B����M�*���

������;s�:����:9����:����5d���(���������:M����8:"�

����[:���"9%�L���:!���%�8"�:$���;s�����9� �d�

?�02��@��A���*�9�(��7��9����

���������Z6@�:9�&�:!���:�� 8:A�M��Z:9��%���:P�8:v���;�:"�

��������:P� :���D� :N�S�;�":$#9%�%���"(�:!�h9����Z9��

�_�::�c��8::����"(�::!�[::"��h9�::��[::"��Z6@�::9

������E�� :WS�o:�����L�:�����"(�:!�[:9�E��h9����Z9��

'!���������@�;�"$#9%�[9�;����6!�J ��["��h9���

������L�:�����:�E����"(�:!�E��[:"�����%�:$@�Y�N���[9�8v��

8M=D�;���� PE����;��A�"(�!�E��;�

����:7��;�"$#9%� ���D� b�

��� ;�":$#9%�;��:���o!�"����u�X6���L�N�%���9E�T'!��5��

%����?��S�Y�By���7���"��J������:6���h:X��Z:9��%

��� A�:6��@��:B��;���r9��E���%�c6!�������;�"$#9%� ���D�b�

��������[:"��h9�:��� :WS���:��a�:!

�� :���%�c6:!�� �d��%�:P�J����� A�:6��@��:B��8:�� 9�:`���E�

���������9� ��!���L����E���������"(�!� �d�

�����"(�:!�;s�:���L����3��w��X6!��;���� =!�"��u�X6��������

ERD/S���8:���P��� 6����a#����;�������%

�� :���?�:l����:P�J����b��8:!�E��8:A�M��Z:9��%

��B��8=!�G��;����[�!�!����6�� Q�9�?

�� %�:!�Z�"k�?�������9��� `9�6��Z6P�%���A%�8���6��b��8�

�P��%�%�������8=!�G��J�� A�"(�:!�;�����6��b��8����6��@��B�

��8=!�G���9E�L�N�8��%�P

������)log()1

)1log(

L

d

N

+

���"(�!�b�����Dm���� :!��K>���:N��@�]�:�`�

�n��d����"(�!��W>

�%�%�����8:�����E����8KN�@�Z9�6$���8��;�

�Z��� O�����"(�!��?�;������6��@��B����M�

������;s�:����:9����:����5d���(����

����[:���"9%�L���:!���%�8"�:$���;s�����9� �d�

?�02��@��A���*�9�(��7��9��

���������Z6@�:9�&�:!���:�� 8:A�M��Z:9��%���:P�8:v���;�:"�

��������:P� :���D� :N�S�;�":$#9%�%���"(�:!�h9����Z9��

�_�::�c��8::����"(�::!�[::"��h9�::��

������E�� :WS�o:�����L�:�����"(�:!�[:9�E��h9����Z9��

'!���������@�;�"$#9%�[9�;����6!

������L�:�����:�E����"(�:!�E��[:"�����%�:$@�Y�N���[9�8v��

8M=D�;���� PE����;��A�"(�!�E��;�

%�P�J�Z9��%����:7��;�"$#9%� ���D� b�

��� ;�":$#9%�;��:���o!�"����u�X6���L�N�%���9E�T'!��5��

%����?��S�Y�By���7���"�

��� A�:6��@��:B��;���r9��E���%�c6!�������;�"$#9%� ���D�b�

5�?%�J��������[:"��h9�:��� :WS���:��a�:!

���������� :���%�c6:!�� �d�

���������9� ��!���L���

�����"(�:!�;s�:���L����3��w��X6!��;���� =!�"��u�X6��������

���9���E�� P��ERD/S

���"(�!�%EEG��� :���?�:l

��B��8=!�G��;����[�!�!����6�� Q�9�?

�� %�:!�Z�"k�?�������9��� `9�6��Z6P�%���A%�8���6��b��8�

�P��%�%�������8=!�G�

���D�8�N� ��8=!�G���9E�L�N�8�

m0n����������������

����%�8�L����"(�!�b�����D

8���������� A��6��;�?�n

8�������8�����Z�A���%�%�����8:�����E����8KN�@�Z9�6$���8��;�

�Z��� O�����"(�!��?�;������6��@��B����M�

���M�*�������;s�:����:9����:����5d���(����

��Z9�6$����(��������[:���"9%�L���:!���%�8"�:$���;s�����9� �d�

H00IJ���

��<(=�?�02��@��A���*�9�(��7��9��

8M=D�b�����������Z6@�:9�&�:!���:�� 8:A�M��Z:9��%���:P�8:v���;�:"�

��������:P� :���D� :N�S�;�":$#9%�%���"(�:!�h9����Z9��

�J�_�::�c��8::����"(�::!�[::"��h9�::��

������E�� :WS�o:�����L�:�����"(�:!�[:9�E��h9����Z9��

'!���������@�;�"$#9%�[9�;����6!

������L�:�����:�E����"(�:!�E��[:"�����%�:$@�Y�N���[9�8v��

8O��`�� WS�o����8M=D�;���� PE����;��A�"(�!�E��;�

���%�c6!����"(�!�%�P

��� ;�":$#9%�;��:���o!�"����u�X6���L�N�%���9E�T'!��5��

8M=D�%�#K�O�%����?��S�Y�By���7���"�

��� A�:6��@��:B��;���r9��E���%�c6!�������;�"$#9%� ���D�b�

����y������c��8�5�?%

#W

�������

�3� ���������9� ��!���L���

������"(�:!�;s�:���L����3��w��X6!��;���� =!�"��u�X6��������

���9���E�� P��

���"(�!�%

��B��8=!�G��;����[�!�!����6�� Q�9�?

�� %�:!�Z�"k�?�������9��� `9�6��Z6P�%���A%�8���6��b��8�

�P��%�%�������8=!�G�

���D�8�

���������%�8�

8���������

8�������8�����Z�A��

'!��J�Z��� O�����"(�!��?�;������6��@��B����M�

'!��J���M�

��Z9�6$����(����

'!��H

!�$��$�

8M=D�b�

["����������:P� :���D� :N�S�;�":$#9%�%���"(�:!�h9����Z9��

'::!��J

�%�$@�������E�� :WS�o:�����L�:�����"(�:!�[:9�E��h9����Z9��

'!���������@�;�"$#9%�[9�;����6!

������L�:�����:�E����"(�:!�E��[:"�����%�:$@�Y�N���[9�8v��

8O��`�� WS�o����

���%�c6!����"(�!

��� ;�":$#9%�;��:���o!�"����u�X6���L�N�%���9E�T'!��5��

8M=D�%�#K�O

��� A�:6��@��:B��;���r9��E���%�c6!�������;�"$#9%� ���D�b�

����y������c��8�

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 8: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

������������� ������������������������������������ !" �� # �$� %���

21incoherence 22uncorrelated 23Coherence 24underdetermined

#a�

���:6"���t�8M=D���%�%�JI����8:M=D��:?�;��:�i����a9���:��E�� :$X�

��L�:::�����;�":::$#9%�� � ����� ���� � � ���� ���Y:::9�B�

�����%�:��E����6!��?�8��5�"����� � �����m���j=1,2,…., ���

m� r9���%�����D�n'!����P���#$��J�����:?�;��:����:@�8W��

���6"��8M=D��%m'����n�����:6"���:�t���m�� :6�����:�t�n����:#�

��'9����%���%�P�����[:9�a9���:���%�Z:9���%�%���>�5?��"����

��L�:���;�"$#9%����� � � ���� ����� �����#:P��:"���m,�n

::���::�A���%�::PJ ���::9���;�"::$#9%�8::��'::!�����5::���8Ag::7�

&���?��0*������8:M=D�8:��<�:����;����6:!� ��:=B���9� �P�����;�:?

YK6X� 867=�?����9��00��"P���J��&��:�?���;�":$#9%�8�� 6>� �

� :��i�S�8M=D�[9�E�����E����"(�!�[9� '!����8K�:!����:����

�i�S�8M=D����?�;����6!moA�t��W��n%�P��%�%���$��J���:N�

��� :��u�:`9��[:"��h9����;����%�'�BW>�_�O����[:9�8:���:"�

����� :#"��h9�:�����:���?�L�:���8M=D��%��?�%�����6����"(�!

�P���86P�%�J���:$#9%� :!���?���8:�%�h9��@�������9���Z9��;�"

� ::��L�:P��::��9�J� :!���?��::�B�01��;�"::$#9%�8::cAz���%�Z�::�

�E�����T��P�Y9�B���9E�%�8�� ����� ��;���%�P�)��

���� � ���� � ����� ���� � ����! "������#� $ �

%�&�����'��������������������������������������������������������������������������� �m1n

�������%������ ����6!j���a9�����E��_�AC��������!����6!k���E��_�

�a9����ANC�'!��J'��O ���� � ����! "���$����u�:y���"?%

'!���%����%� KS�%�JM�����;�":$#9%�8:cAz���%� (6:7=�?���B�

'!��J������:M��8:��':!��&���?���;�"$#9%� ���EM���[:Q��

�P���J�["��h9���� &���?���;�"$#9%�[9�������:�E����"(�:!

��%�=��� [9�_���5��"���569�(A��'G���$X�J��

!$�$�$�@��A���*��cO�?����

�����;��A�"(�:!�&�:!���:����[:"��h9��������hX��Z9��%EEG�

�� @�B�����E����bE���5�"��J��#Pm.�n����[:"��h9�:�����:�

����$������"(�!��:?%�J����������:�E��8:����� :r9���%�:����:6��

�%���L���y ���� :��w��X6:!��5�:"�m���%���:6��@��:B�0/����:���

���8:�� :PE������%�%� r9��;�?�%����"���?�YK6X�� 7����@

a9�����;���� �� :����#:$����;�"$#9%���:"?%�Jn���[:9�Z9����:"�

����%�:��8:�����E����"(�!( � ������ :���9�:=��%�:P�J����"(�:!

�����E�����a9���:��;����6:!�E�� :WS�o�����L���������A�

�["��L���%�P��%�%�h9���)��

m,n����������( � ) ������ * ������ *+* ���� ���� �,������

,������ � �����j=1,2,…,�����"6::7?��A�#::!��ov��::y�J�h9�::��

�8W���L����8Ag7��Z9�� 79�����;�=�m.�n'!�)��

m.n�������������( � �-��

- � ������ ����� � � ����� � ���� ���� � � ���� �. � ��� �

�h9����;����;�9������������8��'!�������@�8BA�W��Z9��%

�8A%�B��%�["�m.�n�%�%�%�:���J��#:P�% m.n�����:�E����"(�:!�

�8M=D�8��<���� C ����6"���9�����E�� :WS�o:�����L�:����:����

%�P��%�%�h9������6"��8M=D� PE����;��A�"(�!)��

mfn������������(� � ��� � � �����

�����-� � �/�/� � � /� ���� ���� � � ���� �. � ��� ���%�::::�

��� :PE����;��A�"(�:!�8��<�����8�� 9������`��8��'!��o9��y

��9���6"��8M=DC��':!���cN����������;������6$��� �"67?�J��Z:9�

���"(�!�h9���y� �������["�� ��N�%�����:���%��:B��8��%�P

���t�o9��y���E���6�����7������cN�����"P���J��

!$�$!$�@��17*���22���)����/��)����@��A���*��

� "B9� PE������%�%�%��B��8�� 9�`���E�&�� ����E���6:$�����:7�

��������"(�:!�E��h:X���:?�;��:����:P�w��X6!�� r9���%�����D

� WS�8A%�B���xA�T'!�m.�n8A%�B���Z�B��:��;�0,���':!�(m<2Nt)�J

8Ag7��Z9��'!��������>��cN�_���5��"���b��E���%�c6!����)��

mjn�������������012324���567#89'�':���; � <3��

�������%����cN�_���3�8cAz��%��B���%�B�����%�:���cN���t�;�?3�

'!��J�������8��'!�� =�����;�`67��8Ag7��[9� ��@�8Ag7�

���E���7����%��:��;�:�����!�����'!�����J���L�:BA�W��%�p��:�S�

5��"���b��E���%�c6!�������"(�!�;E�!E���8����P�'��q�;����

��#���[9�_���'!���9x��J���8���� P�� [9�_���5��"���;����8"�

������b��Z:9��E���%�c6:!���:����':!���c:N�_�:��5��"���8Ag7�����

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 9: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

�L�::������8::�X$��V��::�

�����8:��<�:����o9��:y��:�"��V����Z9�

��(9%�8M=D�8��<�����o9��y�8�� A���%� �"�

��

X��

���_�:��a�:!

����"(�:!� A�6"���t�8M=D�;���������

�L�������"�

��8=:!�G��%��S���%��S��t�;�?

��8::K���� �::��@�����;���6::7�!

���8:��<�:���

�E���%�c6!�����8K����Z9�

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

����%��:B��h?�:�����:"�

��� ��:�E�L�:�� ��#!����E

���:�������� >���8��6!�����E���6$����"�

��L�:��8������'$E������E

�� �:=6B��%��S�R�X$��[9�]�>��E��a��8��%�P

���#!����E�L��

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

����%�:P

���8:BA�W��Z:9��%

����:d��%�8:����

���Z:9���:�

����:6"��E��a:��8���q

�L�::������8::�X$��V��::�

�����8:��<�:����o9��:y��:�"��V����Z9�

��(9%�8M=D�8��<�����o9��y�8�� A���%� �"�

�ov��m3 � �� n��

���;��:���8:�?��%����cN����8��'!��;�%��X

��:9��J���_�:��a�:!

��'!����9E�L������6"��8M=D�;�����������9�)��

=��;� ���

����"(�:!� A�6"���t�8M=D�;���������

8M=D� ���S�'9����%��L�������"�

��8=:!�G��%��S���%��S��t�;�?

��8::K���� �::��@�����;���6::7�!

=���n���8:��<�:���

�E���%�c6!�����8K����Z9�

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

����%��:B��h?�:�����:"�

��� ��:�E�L�:�� ��#!����E

���:�������� >���8��6!�����E���6$����"�

��L�:��8������'$E������E

�� �:=6B��%��S�R�X$��[9�]�>��E��a��8��%�P

���#!����E�L��

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

� :��L�O�D����M6����"?��h?���8���`"���6������%�Z9�����%�:P

�J���8:BA�W��Z:9��%

�����:d��%�8:����

��%�:��8:���q�J���Z:9���:�

����:6"��E��a:��8���q

��8::M=D��::?�;��::��8::��5�::"�i��L�::������8::�X$��V��::�

�����8:��<�:����o9��:y��:�"��V����Z9�

��(9%�8M=D�8��<�����o9��y�8�� A���%� �"�

�����:y��%�:��;��:��Z:9�����:"��ov��

���;��:���8:�?��%����cN����8��'!��;�%��

NC��� :��':!����:9�

��'!����9E�L������6"��8M=D�;���������

� � � 2; > <?��3�

����"(�:!� A�6"���t�8M=D�;���������

8M=D� ���S�'9����%

��8=:!�G��%��S���%��S��t�;�?

��8::K���� �::��@�����;���6::7�!

��"�m���;� > =��;�

�����O�� ���E����%�%�;�?%�P�J�E���%�c6!�����8K����Z9�

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

�8:M=D�%�#K�O�%�=���o����'$E������E�����%��:B��h?�:�����:"�

0.I�J��� ��:�E�L�:�� ��#!����E

���:�������� >���8��6!�����E���6$����"�

%�P�%���K>��=6B�� %��S�R�X$��J��L�:��8������'$E������E

�� �:=6B��%��S�R�X$��[9�]�>��E��a��8��%�P

%�P�J�]��`����#!����E�L��

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

� :��L�O�D����M6����"?��h?���8���`"���6������%�Z9�

���"��567�!� ?%�%�:P�J

�'$E������E���8�����j.2�

������:�E�L�:��]�:�`��%�8��T�P�86@�,}1���%�:��8:���q

�����>����RXP�8���P���@�u�X6��,}1�����:6"��E��a:��8���q

��8::M=D��::?�;��::��8::��5�::"�

���@�'!��J�����8:��<�:����o9��:y��:�"��V����Z9�

���c������(9%�8M=D�8��<�����o9��y�8�� A���%� �"�

�J�����:y��%�:��;��:��Z:9�����:"�

�����;��:���8:�?��%����cN����8��'!��;�%��

���:9� A�6"����t�8M=D�8��<����NC

��'!����9E�L������6"��8M=D�;���������

����������������������2

�8��$��L���=���;������"(�:!� A�6"���t�8M=D�;���������

��8=!�G�5�"��J8M=D� ���S�'9����%

������>���_���F�6S�8M=D�;�?���8=:!�G��%��S���%��S��t�;�?

>�)�7���

���%�::#K�O�%�::=����::d"��8::���8::K���� �::��@�����;���6::7�!

8M=D� ���S����bE�%�����"�� �

�����O�� ���E����%�%�;�?

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

�8:M=D�%�#K�O�%�=���o����'$E������E

��'!%���;�?%�P�H0.

8M=D� ���S��9���8��'!�����:�������� >���8��6!�����E���6$����"�

%�P�%���K>��=6B�� %��S�R�X$�

�� �:=6B��%��S�R�X$��[9�]�>��E��a��8��%�P

��� ������"�%�P

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

� :��L�O�D����M6����"?��h?���8���`"���6������%�Z9�

�!������E� ��=B���9� ���"��567�!� ?%

*22��'$E������E���8����

������:�E�L�:��]�:�`��%�8��T�P�86@�

�����>����RXP�8���P���@�u�X6��

����K��

::����8::M=D��::?�;��::��8::��5�::"�

� ���� A ��

�8M=Di� ���c���

���cN����:"��J

?��3� � �� ��

���:9� A�6"����t�8M=D�8��<����

>��� ��'!����9E�L������6"��8M=D�;���������

m*2n���������������������

������8��$��L���� �

����E�y� ��8=!�G�

������>���_���F�6S�

�5�"��J��

!�$!�$�[��>�)�7�

���%�::#K�O�%�::=����::d"��8::�

a��8M=D� ���S����bE�%��

8���� �����O�� ���E����%�%�;�?

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

�8:M=D�%�#K�O�%�=���o����'$E������E

$�R�X� ��'!%���;�?

8M=D� ���S��9���8��'!�

%�P�%���K>��=6B�� %��S�R�X$�

��86c� ���E�� �:=6B��%��S�R�X$��[9�]�>��E��a��8��%�P

8M=D� ���S�8�� ��� ������"�

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

� :��L�O�D����M6����"?��h?���8���`"���6������%�Z9�

�!������E� ��=B���9

��#!����E��*22

������:�E�L�:��]�:�`��%�8��T�P�86@�

�����>����RXP�8���P���@�u�X6��

��B���9�����K

["�� @���;�?���Z9�:�

�01��

�[9�_���5��"���8Ag7�

� ::WS�;�::9

��������:@��_�:��%�8:���:P��%�c6:!�

'!��%�����

�8M=D�8��CKB6�����E����"(�!�["��h9��������E�� A���

�� [:9�_���5��"���E���%�c6!����

����':����8:M=D�8:��CKB6�����E����"(�!�8�� ��N�%m���:6"��n

���E�� 9����6:!��:���l�"6��

��cN��t�o9��y����P��9����

����6:79����t���;�9�����7�

��%��� 9e���8����%�'!��Z#����cN���t�o9��y�T'!�-������

����%���"(�:!�[:"��h9�:���U9�6��E���%�c6!���d"��8�

���Y:9�B��;�:"�

������8:�����c:N��:�t�o9��:y�%��:B��b��P�b��Z9��

����;s�:���8=:!�G���:(9%�b�

BC�55

>���E��8��'!����� ;�"��������?

���Y:9�B���� B��:����6���b��Z9����y����d"��8�

::�

�8M=D

���cN��

���:9� A�6"����t�8M=D�8��<����

>��

�����

����E�

������>���_���F�6S�

!

���%�::#K�O�%�::=����::d"��8::�

a�

8����

�������#:!���:�E��6������%�E���%�c6!�����Z�"k�?���8��6!�����O�

�8:M=D�%�#K�O�%�=���o����'$E������E

$�

8M=D� ���S��9���8��'!�

%�P�%���K>��=6B�� %��S�R�X$�

��86c� ���E

8M=D� ���S�8�

� A��6��%��S��%�Z��� ���E�8KN�@�E���9�=��pe��� '$E������E��

��E��[:9��?�;����������M��u�X6������B��T%�P�u�X6����6$��

� :��L�O�D����M6����"?��h?���8���`"���6������%�Z9�

�!������E� ��=B���9

��#!����E

������:�E�L�:��]�:�`��%�8��T�P�86@�

�����>����RXP�8���P���@�u�X6��

8�����Z6P�%���6S��%�L�N�%�������["�� @���;�?

�"��8v���C�>%�L��������"(�!�h9���)��

�01232���567#89'

����;������"����;��7��;���69�(A��[9�_���5��"���8Ag7�

8::������b��E��h?�r::��Z::9��%� ::WS�;�::9

��������:@��_�:��%�8:���:P��%�c6:!�

�%���8v��������%�c"6!����($��%�8�-�'!��%����

�8M=D�8��CKB6�����E����"(�!�["��h9��������E�� A���

@��A���*�I��)�7��9����

�� [:9�_���5��"���E���%�c6!����

����':����8:M=D�8:��CKB6�����E����"(�!�8�� ��N�%

-���E�� 9����6:!��:���l�"6��

��cN��t�o9��y����P��9����

����6:79����t���;�9�����7�

��%��� 9e���8����%�'!��Z#����cN���t�o9��y�T'!�

����%���"(�:!�[:"��h9�:���U9�6��E���%�c6!���d"��8�

��8:M=D�;��:�� ����>��9������E����"(�!�;�"����Y:9�B��;�:"�

������8:�����c:N��:�t�o9��:y�%��:B��b��P�b��Z9��

����;s�:���8=:!�G���:(9%�b�

BC�55�;� � �=D�,

>���E��8��'!����� ;�"�

���Y:9�B���� B��:����6���b��Z9����y����d"��8�

8�����Z6P�%���6S��%�L�N�%������

�"��8v���C�>%�L��������"(�!�h9���

567#89'�':���; � <3

����;������"����;��7��;���69�(A�

8::������b��E��h?�r::��Z::9��%

Basis Pursuit���������:@��_�:��%�8:���:P��%�c6:!�

�%���8v��������%�c"6!����($��%�8�

�8M=D�8��CKB6�����E����"(�!�["��h9��������E�� A���

�'����

@��A���*�I��)�7��9��

�8A%�B��������'A���Z9�6���%m.�n�� [:9�_���5��"���E���%�c6!����

����':����8:M=D�8:��CKB6�����E����"(�!�8�� ��N�%

�o9��y��%��� "�9���8������"�� �P��-�

���6"��8M=D�8��<�����;�"$#9%C��cN��t�o9��y����P��9����

���"(�!�8�� 9�`���E�����EEG�����6:79����t���;�9�����7�

��%��� 9e���8����%�'!��Z#����cN���t�o9��y�T'!�

����%���"(�:!�[:"��h9�:���U9�6��E���%�c6!���d"��8�

��8:M=D�;��:�� ����>��9������E����"(�!�;�"�

������8:�����c:N��:�t�o9��:y�%��:B��b��P�b��Z9��

����%�:�� "�9�:���� 9e��-���':!��J����;s�:���8=:!�G���:(9%�b�

�8W���L����o9��ym+�n'!�)��

,�������2E�2�

8M=D�;�����(9%��qz������>� >���E��8��'!����� ;�"�

���Y:9�B���� B��:����6���b��Z9����y����d"��8�

8�����Z6P�%���6S��%�L�N�%������

�"��8v���C�>%�L��������"(�!�h9���

m/n�������������<3

����;������"����;��7��;���69�(A�

��::P�8::v���::���J8::������b��E��h?�r::��Z::9��%

�_���8��%����6!�Basis Pursuit

Sparselab �-�%���8v��������%�c"6!����($��%�8�

��

�m.n-��8M=D�8��CKB6�����E����"(�!�["��h9��������E�� A���

#$��<(=�@��A���*�I��)�7��9��

�8A%�B��������'A���Z9�6���%

����':����8:M=D�8:��CKB6�����E����"(�!�8�� ��N�%

�o9��y��%��� "�9���8������"�� �P��

���6"��8M=D�8��<�����;�"$#9%

���"(�!�8�� 9�`���E�����

��%��� 9e���8����%�'!��Z#����cN���t�o9��y�T'!�

���P��?�l�J����%���"(�:!�[:"��h9�:���U9�6��E���%�c6!���d"��8�

��8:M=D�;��:�� ����>��9������E����"(�!�;�"�

�%�!�������8:�����c:N��:�t�o9��:y�%��:B��b��P�b��Z9��

����%�:�� "�9�:���� 9e��

�8W���L����o9��y

+n��������������2�

8M=D�;�����(9%��qz������>

5�"���%�c6!��J���Y:9�B���� B��:����6���b��Z9����y����d"��8�

#d

��8�����Z6P�%���6S��%�L�N�%������

�"��8v���C�>%�L��������"(�!�h9���

���������;������"����;��7��;���69�(A�

��::P�8::v��

�_���8��%����6!�

Sparselab

H0,I�J��

�#P�

!$�$#

�8A%�B��������'A���Z9�6���%

����':����8:M=D�8:��CKB6�����E����"(�!�8�� ��N�%

�o9��y��%��� "�9���8������"�� �P��

���6"��8M=D�8��<�����;�"$#9%

�P���J���"(�!�8�� 9�`���E�����

��%��� 9e���8����%�'!��Z#����cN���t�o9��y�T'!�

���P��?�l

8M=D���8:M=D�;��:�� ����>��9������E����"(�!�;�"�

5�"��J�%�!

����%�:�� "�9�:���� 9e��

�8W���L����o9��y

m+

�����8M=D�;�����(9%��qz������>

5�"���%�c6!�

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 10: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

������������� ������������������������������������ !" �� # �$� %���

25True Positive Rate 26False Positive Rate 27Recursive Operating Curve 28Online

#"�

m�%���ZP��n�':P�%��?��X���������6"����>�p�%�`�� 567�!�J

����p���:�� :A�6"��;�:?%�����E��;��7��%���@�Z9��86=A��� :K�O

'!��J��

!$#$���7� �&�������)��

���9���8�� 9�`���E�ERS������:��':����]�:>��E��a��'!��Z#��

��E���8����%��S�����6"���E��� �P���86P�%�%����8���q��"Qt=3-

5.5s��5:9%�%�b�67�'=q�[���?�%�J���b��E��'�:7>�Z:9��%

�����4:�����:��C��:W��%��:S�8��%��S� ��9E�m**�n��m*0�n��;��:�

�8=!�G�TPR0.���FPR

0f��P��%�c6!��)��

m**n��������� �TPICN

TPICTPR =

��

m*0n�������������������FPICN

FPICFPR =

��

������8W���%m**n� TPIC�����:?�8:��8��'!��'=��� A�6"��%��S

A�6"���E���%�R�X$�1����./.� ��86c�8���q���~:W���%���%�:P

m*0�nFPIC��'::=���'::!%��� ::A�6"��%��::S�Z�::=��8::��'::!�

�E���%�R�X$���':!����:@��E���E��w�S�;�?�J���4:����Z:9��%

NTPIC��E���%��B�������������"(�:!��:����:D�%�%��S�;�?�NFPIC�

8��������%��B����������:�E���':$E�����:�E�]�:�`���:��5�7M����?

'!����#!�J�E���%��B��8A�M��Z9��%��������%��S�;�?12�m��?�%

�����12���� :6����%��:S��E���[9����P�'=q�[���?���'=q�[�

'!��n��NFPIC��������Z�(������D�8��p�=9�M�*02�'!�J��

��;�:?�%���� ��9E��E��a��U9�6�ROC0j�mTPR���o:7���FPR�

��'!���8��6!��YK6X���9%�M��;�E��8��8���"9��n� :��8v���%�:P�J

�����cN�E��8��6!��YK6X���9%�M��;�E��8��8��o�����Z9��8�*����:���

�_�2.}2��9%�M�� TPR���FPR� ��8=!�G�����9%�:M��a�!������P

8WM��8��<��������M��pe���8���%����E��;�FPR��E����*2����:N%

!���6��p����q���'��4S�8�y=1-x�my���:9�;%��O��G� TPR ���x�

��9� M@���G�FPR�n�������u�:X6������:���:?�;��:��T':!���:6#9%��

�����P�J��

��

#$ e���*����fB����e���*

���%���:���8:!�8��<�������"(�!�8!�������?�;����8�� 9�`���E�

���������:���:?�;��:��%�:����;��:���8!�E��������%� 5�6P�%���6S�

���������:�E����:%�%����:"B��_�:!�;��:�����bE�:�����%�%����"B�

�P��%�c6!��J��8:��YK6X��'A���8!�%�������?�;����]��`��%

%����"B�����[9�p��6��������?�8��;�G������:d��%���:�E����:%�

��:P� ��9E��567�!�%�#K�O� %�P�86@���J���9%�:M�TPR���FPR�

������:?�;��:��Y:K6X��':A���8!�%����E���8��<����������'!��

�4!�6��L����RXP��������:��%��:�B��F��:G��m*�n��8:v��

'!����P�J����E�:�� A�:6��@��:B��;���r9��bE����E�@�%��;�:?*�

8���q��%�bE������"(�!�E��;�*,�����%�Y:K6X��;�:����a��:��@

��E��f����1f�'��q��9%�M��������?� Q=2��Q=3���:P�8=!�G��J���:�

8�����;��=7Q���&�!�����<�:���� :r9��;�?�%��� PE����;�?

���>�8������a9������%�%�%��S���t���%��S�8M=D���%�%�8�

���Z:9���%�%���:>�5?�"�����;�"$#9%�a9�����'9����%����"6@�

������%�P���#$��a9�J�����8�=:P��:d"��8:����:�E��E�:@�%���;E�:!

4S�;��;���@�����567�!�49��P0/�����:����:6��@��:B�� r9��

����3A���`"�����O�*�8���q���_�:���:D����;�*�������"(�:!��:��8:����

EEG��P�w��X6!�����E��;�����J�%���������F�?��6M�>%�L�=B�

[��8��8��8�����[�����C:KB�� =:7Q������E��;�����;�?����:��%�:�

%�P��%�%�R�X$�� A�=>����>�'>%����'����]�>��8dGA�J��

�����������E�� :r9��w��X6:!����;�":$#9%�a9���:����#:$��E��a�

��8�������:9�[:9�_���5��"���569�(A��E���%�c6!����� ���E��;�?BP�

["���8:�����E����P�w��X6!�� r9��;�?�%���h9����Z9�����;�:?

��'!���;�"$#9%�a9�����89���;�?�%���&�!��������E������J

["��Z6@�9��d"��8�� O�"6��;���69�(A�������"(�:!�h9�:���Z9��

�8v�����"(�!�bE�%������=��%��P�Z���E��C�MG��Z9��%�8�����

���������:@��_�:��%�%�:����[:9�_�:��5��:"���b������Sparselab�

�P��%�c6!��J8M=D������:��8:���:P�_�`��� =9��y��%���;�"=�����;�"�

�%���::�E��8::����� ::r9���%�::��h9�::���;��::��569�::(A��Z::9�

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 11: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

��B���9�����K��

29Matching Pursuit 30Orthogonal Matching Pursuit

%g

%��������'!���;�"$#9%�J�hX��%�8�� cK6X��;��P��Z���E�

1-0-,�����;8M=D��������;�:WS�E��8:A�M��Z:9��%� �:P� :@�B��;�:"�

>����9%�M���9�;E�!E���8M=D�;�����������:P��%�c6!��;�"��J��p�:69���

>����9%�M�������:?�4:!�����:�E����"(�!�;E�!E���8��<����������

���P�5���(9�#9�E����879�M��5?����;�"$#9%�;��$X��E��[9�J

8M=D� ���S� �y�c��Z9����M�?�;�����"��8��%������E��8������

a::��E�::@�%���::P�bE�%�::��J����::�m*�n�b��Z::9��%�::#K�O

8M=D��E���;E�!�#P��%���;�"����"(�!�%����'����]�>��;�?

EEG��8��<�����86!���j��;�?�%������KG��E��a������ROC�

�!������E�49��P�%��� ?%,}1� ����$��8���q�?%�J���6!��%�%

Z9��{Q���'!��'�!���b���%����:��E���N���U9�6������

8M=D�8M=D���["��h9������� "6=��;�"���"�SVM�'!����P�8v���J

8M=D�b�����O��E���N���U9�6��������["��h9������� "6=��;�"�

��Z�(��:����W��[9�_���5��"���569�(A��E���%�c6!�TPR=90%���

FPR=5%���$��8��'!���":$#9%�a9������qz��u�X6�����"?%�;�

'!�� r9��w��X6!��b����J ����9%�8���W���?��b��%�P

8M=D��8M=D����879�M��%�["��h9������� "6=����"�SVM�����:�����:�

� !�-���������Z�:�B���:d"��8:��;����:�k�����:7��bE�:���E�:@�8:�

�%�%�5�:d"��o9�y����������O�;�?�6�����H*+I-�����:�����:O

�;��%�9����E�h?���������� %�!8M=D���%��:��;��7��%� �"�

�%�%�;�:6���%�#K�O�������� S���%� 6����8��$��J��_Ee�8:6=A�

������:�����"(�:!�[:"��h9�:���569�(A��u�X6���8��%�P���^�'!�

%�%�b��Z9��%�#K�O�%�;�qz��hM��J�����:�O��E���:N���U9�6�

���C��::W��;�`6::7���::"����;��::$��;�::��69�(A�0+�mMP�n��

���B6��C��W��;�`67�12�mOMP�n��P� !���C�MG��Z9��%����

����:�O��8��<�����U9�6��;�������A���8�BP���;��:��b��Z:9��E��

����:P��%�c6:!���:��'������� "6=��;���@�����567�!� ���D�J�E�

�567�!�%�#K�O� ��9E��b�����%�c6!��%�����%�%�8�� 9�`��

V������8A�M��Z9��%�H*/I� ��T�"67?���7#9����U9�:6��������o:7

����E���#::$6��8::A�M��Z::9��;%��"::$���b��E���%�c6::!���::����::P

h����w��X6!�� '��q�'�c���o9�y����;�?�6K�@�[���8��bE�%��

����8:M=D�b��E���%�c6:!��':9����%��� A�:6��@��B�� r9����;�:"�

�V="��U9�6���������"(�!�["��h9������� "6=�H*/�I�%�:��879�M��J

�%�=���8���`"��569�(A��Z9�����O�*.����4:!�6��;�N%TPR���

*��;�N%FPR��P�JV="��%�'!����^���9�P�H*/I��E���%�c6!����

8M=D���"�SVM����"(�!�E����P�w��X6!������������569�(A� r9�

����':��q��:����;�:"������ 9�?�6K�@�[���8�� 7����@�89�`��E��a�

8M=D��E������'!����P�;�"������E���:��':����%��:S�8��<�����;�?

���"(�!a��%�P��%�%�R�X$��8"��EJ��

�����m*n-�8M=D�;��P��879�M����["��h9������� "6=��;�"�SVM�

�E���;E�!�#P��%�����'����%��S�;�?��

�<(=�>����)����/��)��9��

@��A���*�7����(����<(=��)����/��)����SVM

Subjects

ID

TPR

(Mean±SD)

FPR

(Mean±SD)

TPR

(Mean±SD)

FPR

(Mean±SD)

S1

,±+/

0±0

��

,±+/

��

1±0

S2 j±/+ 1±. ,±f. 0±+

S3 0±++ *±* 0±+/ *±2

S4 1±+f *±1 0±+1 0±.

S5 ,±/2 0±+ .±jf 1±f

S6 .±// 0±f **±/+ 0±+

S7 *.±/* 1±j *2±/2 2±,

Z�(����

,±+2

0±.

��

*0±/f

��

0±.

��

�����8M=D�b����h9������� "6=��;�"�������E�:@�8:#����:�A%�8:��[:"

���k��� PE��������:"9��@�|�:?�bE����E�@�%�V>���%���%����;�

��������8:�� 9�:`���E���:���T':!���%�:!���:7�� %��:��%����;��%�9

�� :��86S�:!�bE������%�%� r9��;�?�%���E��;�"$#9%���%�:P

'!���������7�� r9��w��X6!��E�@�hM��J���:��8��;�G��8�

(�::!�E�� ��::S�;�::��r9��U9�::6��p�::69���� ���::$��w��X6::!����"

8M=D���':!��Y�B:y���7������;�"��J����;�":$#9%�8:�� ��:N�%

�� �:P����%�S��� =!�"��%�B���E��Z�"k�?���%�P�Y9�B�� ��X�

8M=D�Z9����':P�%��:?��S� ��S���7��%�#K�O��"��J���:���O�8:6=A�

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 12: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

������������� ������������������������������������ !" �� # �$� %���

31K-means- Singular Value decomposition 32Method of optimal Directions

% �

�;%�9E �8M=D�b��Z9��%�#K�O��"��������>���qg��'G����;�"�

?%�"�J����?�W:!�%��:B��'=7�� ;�"$#9%�%�B���u�X6�����������"B�

��::M��_�::O��::9�����::M�� ;�"::$#9%�8::��<�::����;����6::!�8::��

;�"$#9%��E���8��<�����;�?������u�:X6��� ��:6"���t�����:6"��;�:?

;�"$#9%�������8:��o:!�"��569�:(A��u�:X6���Z�:"k�?��� M@��;�?

� :����"(�!�["��h9����8v����d"���%�:#K�O��:"���������56:7�!

�$X��%�=��J��

��

%$ ��2�*�972F

������:9���w��X6:!���:��8A�M��Z9��%ERS�����569�:(A��E���%�c6:!���:�

h���E���#$6��;%��"$�����o9�:y���� 9�?�6K�@�[���8��bE�%��

����%�c6:!��':9����%��� A�6��@��B�� r9��w��X6!�� '��q�'�c��

8M=D�b��E��������:7��U9�:6�� ��"(�:!�["��h9������� "6=��;�"�

E���;E�!�#P��;���� ��S������"(�!�E�� 6����%��S�]�>��;�?

a���8"��E���:���':!%�8��J������Z�:�B��8:��E�:���_�:O���b�� %�:!

�[9���"��E����P�'=q���%�%� bE����E�@�%�YK6X��;�?�6����

���::���Cz8::v��� ���::""��������U9�::6����::""��E���%�c6::!��;��::��;�

�;���67�!BCI��':!����($9��E��E��w�S�J������:9��8:A�M��Z:9��%

����6::7�!��E�::��%���"(�::!�[::"��h9�::���E���%�c6::!��;BCI�

8M=D��d"��8�����@������E���;�"�������:W���:��'����%��S�;�?

�P�J8M=D�Z9�� r9����'9���Z9�6��������:���:�"��8��'!����� �"�

�� :79�����%� PE������%�%�E�� ���X6!��;���r9���%�%���>

��E�:@�%�i�S�;�?�6�����Z��B��8��E�����������;�"$#9%�_���8�

����E��E�@�;���� bE��� ���%���%�P�J�����:"�E����b��Z:9��8:6=A�

'!��;�"$#9%�a9�����C�>%� ���D�J�b��hM���(9%�L�=B�

8M=D�b��Z9��E���%�c6!��%� r9��w��X6!�����5:�����:7��;�"�

'!��J�;�"$#9%�;��79����� ���D��d"��8����h?�r��8��%��%

��� :�� 4S�:��;�:?%�����;��������9��������qz�� ��������E�����:�

;�"$#9%� ���D�;����;�"$#9%�;��%�9�YK6X��;��P���;�?

%����%�c6!�� M@���������@�J��;��:��8�� cK6X��;��P�������E�

�E���%�;�"$#9%�;��%�9����� :���%�c6:!��Y:K6X��;�:?��� ���:P

��b��8��������;�?K-SVD1*�'����������:9�8:"����;�:?MOD

10�

%�����P��J��

9�)�0��H���

�����@����;�>��u�"��E��E��86�e�#!���6�%�;�>�����Kk7��@��7

�'������%�%��%�%���>���6S��%���A%�8��h9�����������($��%

��-��P��%�c6!�������E��%���8A�M��Z9��%�8�-� �� ��%�>�%�PJ��

��

W$ hC)7���

[1] Wolpaw J.R., Birbaumer N., McFarland D.J.,

Pfurtscheller G., Vaughan T.M., Brain computer

interfaces for communication and control; Clin.

Neurophysiol., 2002; 113: 767–791.

[2] Muller-Putz J.R., Scherer R., Pfurtscheller G., Game-

like training to learn single switch� operated

neuroprosthetic control; Int. Conf. Adv. Comput.

Entertainment Technol. Workshop. BrainPlay’07:

playing with your brain (brain–computer� interfaces

and games), 2007: 49–51.

[3] Thorpe J., Oorchot P., Somayaji A., Pass-thoughts:

authenticating with our minds; Proc new Secur

paradigms workshop, 2005.

[4] Scherer R., Schlogl A., Lee F., Bischof H., Jansa J.,

Pfurtscheller G., The self-paced Graz� brain–

computer interface: methods and applications; J.

Comput. Intell. Neurosci., 2007; 79825.

[5] Townsend G., Graimann B., Pfurtscheller G.,

Continuous EEG Classification During Motor

Imagery—Simulation of an Asynchronous BCI;

IEEE Trans. Neural, Rehab., 2006; 12: 258-265.

[6] Mason S.G., Birch G.E., A brain-controlled switch

for asynchronous control applications;� IEEE Trans.

Biomed. Eng., 2000; 47: 1297–1307.

[7] Fatourechi M., Ward R.K., Birch G.E., A self-paced

brain–computer interface system with a low false

positive rate; J. Neural Eng., 2008; 5: 9-23.

[8] Bashashati A., Mason S., Ward R.K., Birch G.E., An

improved asynchronous brain interface: making use

of the temporal history of the LF-ASD feature

vectors; J. Neural. Eng., 2006; 3: 87-94.

[9] Pfurtscheller G., Lopes da Silva F.H., Event-related

EEG/MEG synchronization and desynchronization:

basic principles; Clin Neurophysiol, 1999; 110:

1842-57.

[10] Leeb R., Friedman D., Müller-Putz G.R., Scherer R.,

Slater M., Pfurtscheller G., Self-paced

(asynchronous) BCI control of a wheelchair in

virtual environments: A case study with a

Tetraplegic Computational Intelligence and

Neuroscience special issue: Brain-Computer

Interfaces; Towards Practical Implementations and

Potential Applications, 2007: 1-8.

[11] Hasan B.A.S, Gan J.Q., Unsupervised movement

onset detection from EEG recorded during self-paced

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org

Page 13: Foot movement onset detection in self-paced BCIs using ...E-mail: mahlooji@modares.ac.ir Foot movement onset detection in self-paced BCIs using sparse representation based classifier

��B���9�����K��

%�

real hand movement; Med. Biol. Eng. Comput.,

2010; 48: 245-53.

[12] Wright J., Yang A.Y., Ganesh A., Sastry S.S., Ma

Y., Robust face recognition via sparse representation;

IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., 2009; 31:

210–27.

[13] Chen S., Donoho D., Saunders M., Atomic

decomposition by basis pursuit; SIAM Rev., 2001;

43: 129–59.

[14] Gemmeke J.F., Virtanen T., Hurmalainen A.,

Exemplar-based sparse representations for noise

robustautomatic speech recognition; IEEE Trans.

Audio Speech Lang. Process., 2011; 19: 2067–80.

[15] Li Y., Guan C., Qin J., Enhancing feature extraction

with sparse component analysis for brain–computer

interface; Proc. 27th Annual Int. Conf. of the

Engineering in Medicine and Biology Society (IEEE-

EMBS 2005), 2005: 5335–5338.

[16] Arvaneh M., Guan C., Ang K.K., Quek H.C.,

Spatially sparsed common spatial pattern to improve

BCI performance; Proc. IEEE Int. Conf. on

Acoustics, Speech,� and Signal Processing (ICASSP

2011), 2011: 2412–2415.

[17] Yu H., Lu H., Ouyang T., Liu H., Lu B.L., Vigilance

detection based on sparse representation of EEG;

Proc. 32nd Annual Int. Conf. of the IEEE

Engineering in Medicine and Biology Society

(EMBC 2010), 2010: 2439–2442.

[18] Solis-Escalante T., Muller-Putz G.R., Pfurtscheller

G., Overt foot movement detection in one single

Laplacian EEG derivation; J. Neurosci. Methods,

2008; 175: 148-153.

[19] Mohammadi R., Mahlooji A., Coyle D., A

Combination of Pre- and Postprocessing Techniques

to Enhance Self-Paced BCIs; Advances in humn-

computer interaction, 2012; Article ID 185320.

[20] Schlogl A., Brunner C., Scherer R., Glatz A.,

BioSig: an open-source software library for BCI

research; In Towards brain–computer interfacing,

2007; 20: MIT Press. p. 347–58.

[21] Graimann B., Huggins J.E., Levine S.P.,

Pfurtscheller G., Visualization of significant

ERD/ERS patterns in multichannel EEG and ECoG

data; Clin. Neurophysiol., 2002; 113(1): 43–47.

[22] Sadeghian E.B., Moradi M.H., fractal dimension for

detection of ERD/ERS patterns in asynchronous

brain computer interface; The 2th Int. Conf. Bioinfo.

Biomed. Eng., May 16-18, 2008.

[23] Shin Y., Lee S., Lee J., Lee H.N., Sparse

representation-based classification scheme for motor

imagery-based brain-computer interface systems; J

Neural Eng., 2012; no.9;056002.

[24] Donoho D., Stodden V., Tsaig Y., SparseLab:�

http://sparselab.stanford.edu/.

[25] Townsend G., Graimann B., Pfurtscheller G.,

Continuous EEG Classification During Motor

Imagery—Simulation of an Asynchronous BCI;

IEEE Trans. Neural, Rehab., 2006; 12: 258-265.

© Copyright 2013 ISBME, http://www.ijbme.org