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Motorische Bildbildung: Gehirn-Computer-Schnittstellen (MI-BCIs) ermöglichen eine direkte Kommunikation zwischen dem menschlichen Gehirn und externen Geräten, ohne periphere Muskelaktivitäterforderlich zu sein 1. In den letzten Jahren wurde die MI-BCI-Technologie weitgehend in der Neurorehabilitation2, der assistativen Kontrolle3 und der Mensch-Computer-Interaktion4 eingesetzt. Diese Anwendungen unterstreichen den Bedarf an zugänglichen und reproduzierbaren Analyse-Workflows, die von Forschern und Klinikern, einschließlich Nutzer mit begrenzter Programmierkompetenz, zuverlässig übernommen werden können.
Konventionelle MI-EEG-Dekodierungsansätze basieren überwiegend auf räumlicher Filterung und linearen Klassifikationsrahmen. Methoden wie Common Spatial Pattern5 (CSP) und divergenzbasierte CSP6 (div-CSP) wurden weit verbreitet eingesetzt, um diskriminierende räumliche Merkmale aus Mehrkanal-EEG-Signalen zu extrahieren. Um Features über verschiedene Frequenzkomponenten hinweg weiter zu extrahieren, wurden Filter Bank CSP7 (FBCSP) und Subband CSP 8,9 (SBCSP) umfassend erforscht. Darüber hinaus wurde zeitliche Segmentierung in den Merkmalsextraktionsprozess integriert, indem jeder Versuch in mehrere Zeitintervalle unterteilt wird, was die Erfassung sich entwickelnder diskriminierender Muster ermöglicht und die Dekodierungsleistung weiter verbessert 10,11,12. Um die Unterscheidbarkeit extrahierter Features zu verbessern, wurden verschiedene Merkmalsauswahlstrategien eingeführt, um Redundanz zu reduzieren und Überanpassungzu mindern. Für die Klassifikation werden traditionelle Machine-Learning-Modelle wie Support VectorMachines 16 und regularized regressionclassifiers 17,18,19 aufgrund ihrer Interpretierbarkeit und Recheneffizienz weiterhin weit verbreitet verwendet.
Trotz ihrer Effektivität werden diese Ansätze typischerweise in individuell angepassten, datensatzspezifischen Codebasen implementiert, was eine systematische Wiederverwendung und unabhängige Verifikation erschwert. Mehrere grafische Benutzeroberflächen (GUI)-basierte Softwareplattformen wurden entwickelt, um EEG-Analyse und BCI-Forschung zu unterstützen. Zum Beispiel bietet EEGLAB20 eine umfassende Funktionsweise für EEG-Vorverarbeitung, Zeit-Frequenz-Analyse, Merkmalsextraktion, Klassifikation und fortgeschrittene Visualisierung. Seine hochgradig modulare und erweiterbare Architektur hat eine breite Einführung im EEG-Forschungsfeld ermöglicht. BCILAB21 integriert in Integration mit EEGLAB über 100 Signalverarbeitungs- und Machine-Learning-Algorithmen, die die gesamte Dekodierungspipeline von der Vorverarbeitung bis zur Klassifikation abdecken. Ähnlich bietet OpenViBE22 eine visuelle Programmierumgebung zum Entwerfen von Echtzeit-BCI-Workflows, in der Nutzer Signalverarbeitungs-Pipelines zusammensetzen können, indem modulare Komponenten grafisch verknüpft werden. Die Plattform eignet sich besonders gut für Online-EEG-Erfassung und Echtzeit-Stimulus-Response-Paradigmen und wurde weit verbreitet bei der Entwicklung und Erprobung interaktiver BCI-Anwendungen eingesetzt. Darüber hinaus ermöglicht PyNoetic, ein modulares Python-Framework für die Entwicklung von no-code-EEG-Gehirn-Computer-Schnittstellen, den End-to-End-BCI-Workflow-Aufbau durch eine integrierte GUI, die Datenerfassung, Vorverarbeitung, Feature-Extraktion und Klassifikation23 unterstützt. Im Gegensatz zu früheren Werkzeugen, die umfangreiche manuelle Konfigurationen oder Skripte erfordern, bietet PyNoetic ein höheres Abstraktionsniveau für das Pipeline-Design und ermöglicht flexible Montage und Neukonfiguration von Verarbeitungsstufen ohne Low-Level-Programmierung. In vielen MI-EEG-Studien können diese Plattformen bereits routinemäßige Vorverarbeitung, konventionelle Feature-Extraktion sowie Baseline-Dekodierung und -Auswertung unterstützen.
Mehrere GUI-basierte Plattformen unterstützen MI-EEG-Analyse durch standardisierte Vorverarbeitung, Feature-Extraktion und Baseline-Dekodierung (Tabelle 1). Allerdings fehlt ihnen die Optimierung für eine feinkörnige räumliche Frequenzzeitzerlegung, einschließlich benutzerdefinierter räumlicher Partitionierung und domänenübergreifender Visualisierung. Um diesen methodischen Anforderungen gerecht zu werden, wurde zuvor ein feingranuliertes Rahmenwerk zur räumlich-zeitlichen Frequenzdecodierung für MI-EEG24 vorgeschlagen, das gemeinsam räumliche Elektrodengruppen, Frequenzsubbänder und temporale Segmente modelliert, um die Dekodierleistung zu verbessern und die Interpretierbarkeit mehrerer Domänen zu erhöhen. Aufbauend auf diesem Framework wurde das Spatial-Temporal-Frequency EEG-Analysetool (STFEEG-Tool) als grafische Benutzeroberfläche (GUI)-basierte Werkzeugkiste entwickelt, die feingranulare MI-EEG-Dekodierung innerhalb eines konfigurierbaren und reproduzierbaren Workflows standardisiert und dabei mit bestehenden EEG-Toolchains kompatibel bleibt.
STFEEG-Tool integriert Datenvorbereitung, Vorverarbeitung, räumlich-zeitliche Frequenzsegmentierung, Feature-Extraktion, wrapper-basierte Merkmalauswahl, Klassifikation und Visualisierung in eine einheitliche Pipeline. Anstatt etablierte EEG-Werkzeugkästen zu ersetzen, ergänzt es diese durch transparente Parameterspezifikation, konsistente Pipeline-Ausführung und modellbasierte Visualisierung, um feingranulare Analysen zu unterstützen.
Die Hauptbeiträge dieser Arbeit sind dreifach. Erstens bietet STFEEG-Tool einen benutzerfreundlichen, durchgängigen GUI-Workflow mit standardisierter Parameterkonfiguration für feingranulare MI-EEG-Dekodierung. Zweitens ermöglicht es eine multiskalale räumlich-zeitliche Frequenzsegmentierung, einschließlich benutzerdefinierter räumlicher Dekomposition, die auf allgemeinen Plattformen nicht durchgängig verfügbar ist. Drittens verbessert sie die Interpretierbarkeit durch zeit-frequente topografische Karten und Signifikanzkarten der Elektrodengruppen, die diskriminierende Beiträge zusammenfassen und subjektspezifische MI-relevante Muster über verschiedene Bereiche hinweg aufzeigen.
Der Werkzeugkasten ist Open Source und verfügbar unter: https://github.com/CissyZR/Spatial-Frequency-Temporal_EEG_Analysis_Tool