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Título: Processamento de biossinais com métodos de aprendizagem de máquina em framework de código aberto
Título(s) alternativo(s): Processing of biosignals using machine learning methods in an open-source framework
Autor(es): Kozak, Antonio Thomaz Bittencourt
Fabiani, Italo Ribeiro
Orientador(es): Mendes Junior, José Jair Alves
Palavras-chave: Eletromiografia
Eletroencefalografia
Aprendizado do computador
Processamento de sinais
Electromyography
Electroencephalography
Machine learning
Signal processing
Data do documento: 14-Fev-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: KOZAK, Antonio Thomaz Bittencourt; FABIANI, Italo Ribeiro. Processamento de biossinais com métodos de aprendizagem de máquina em framework de código aberto. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: O processamento de sinais desempenha um papel fundamental na área biomédica, permitindo a análise e interpretação de biossinais para diversas aplicações. Este projeto tem como objetivo utilizar e validar um framework de aplicações biomédicas para a detecção de gestos manuais por meio de biossinais, com o intuito de validar seu funcionamento em problemas relacionados a essa área. Esse framework realiza todo o processamento de biossinais com a configuração de um único arquivo JavaScript Object Notation (JSON), de forma flexível e de fácil entendimento, facilitando sua utilização por parte de profissionais da área da saúde e da área biomédica. Inicialmente, foram utilizados dados públicos de Eletroencefalografia (EEG) vindos do dataset Grasp-and-Lift EEG Detection disponível na plataforma de competição de ciência de dados Kaggle. Esses dados foram classificados em seis gestos diferentes que representam uma ação realizada pela mão direita ao pegar e soltar diferentes objetos (início do movimento, toque, início da força, levantar, colocar no suporte e soltar). Em seguida, com a utilização da placa Cyton do OpenBCI, foram coletados sinais de Eletromiografia de Superfície (sEMG) do antebraço de voluntários durante a realização de gestos manuais, sendo escolhidas as vogais da Língua Brasileira de Sinais (libras) como gestos representativos. Tanto os sinais de EEG quanto os sinais de sEMG foram filtrados e segmentados por janelamento. Nos sinais de sEMG, foram extraídas as características Mean Absolute Value (MAV), Slope Sign Change (SSC), Waveform Length (WL), Zero Crossing (ZC), enquanto nos sinais de EEG foi aplicado o método Common Spatial Patterns (CSP). Além disso, os sinais de EEG passaram por um processo de suavização por meio de convolução. A classificação dos gestos foi realizada por meio da Análise Discriminante Linear (do inglês Linear Discriminant Analysis (LDA)) para ambos os tipos de sinais, todos esses processos integrados ao framework. A classificação dos dados de EEG obteve uma área sob a curva média, Area Under Curve (AUC), de 0,689, resultado próximo ao obtido por trabalhos similares com o mesmo dataset. Na classificação dos gestos via sEMG, a acurácia média foi de 0,658, com alguns indivíduos apresentando médias superiores a 0,8, enquanto outros ficaram abaixo de 0,6, evidenciando uma grande variabilidade entre os participantes. O estudo valida a eficácia da ferramenta no processamento e análise de biossinais e destaca seu potencial para aplicações em áreas como reabilitação motora, interfaces cérebro-máquina e dispositivos assistivos.
Abstract: Signal processing plays a fundamental role in the biomedical field, enabling the analysis and interpretation of biosignals for various applications. This project aims to utilize and validate a biomedical applications framework for the detection of manual gestures through biosignals, with the objective of assessing its functionality in problems related to this field. This framework performs the entire biosignal processing through the configuration of a single JavaScript Object Notation (JSON) file, in a flexible and easy-to-understand manner, facilitating its use by professionals in the healthcare and biomedical fields. Initially, publicly available Electroencephalography (EEG) data from the Grasp-and-Lift EEG Detection dataset, hosted on the Kaggle data science competition platform, were used. These data were classified into six different gestures representing actions performed by the right hand when grasping and releasing different objects (movement initiation, touch, force onset, lift, replace on the support, and release). Subsequently, using the Cyton board from OpenBCI, Surface Electromyography (sEMG) signals were collected from the forearm of volunteers during the execution of manual gestures, with the vowels of the Brazilian Sign Language (Libras) chosen as representative gestures. Both EEG and sEMG signals were filtered and segmented using windowing techniques. In the sEMG signals, the extracted features included Mean Absolute Value (MAV), Slope Sign Change (SSC), Waveform Length (WL), and Zero Crossing (ZC), while the EEG signals underwent feature extraction using the Common Spatial Patterns (CSP) method. Additionally, EEG signals were smoothed through convolution. Gesture classification was performed using Linear Discriminant Analysis (LDA) for both signal types, with all these processes integrated into the framework. The classification of EEG data achieved an average Area Under Curve (AUC) of 0.689, a result close to that obtained by similar works that used the same dataset. For gesture classification via sEMG, the average accuracy was 0.658, with some individuals achieving averages above 0.800, while others scored below 0.600, highlighting significant variability among participants. The study validates the effectiveness of the tool in biosignal processing and analysis, emphasizing its potential for applications in areas such as motor rehabilitation, brain-computer interfaces, and assistive devices.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38812
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