artifact EOG removal by ICA-RLS scheme and tracks extraction method

198 Pages·2012·2.68 MB·English

DPTO. DE TEOR´IA DE LA SEN˜AL Y COMUNICACIONES
UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
DOCTORAL TESIS FOR THE
DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
NEW APPROACHES FOR EEG SIGNAL PROCESSING:
ARTIFACT EOG REMOVAL
by ICA-RLS SCHEME
AND
TRACKS EXTRACTION METHOD
Author: Carlos Andr´es Guerrero Mosquera
´
Supervisors: Dr. Angel Navia V´azquez
Dr. Armando Malanda Trigueros
LEGANE´S, OCTOBER 2011

TESIS DOCTORAL:
New approaches for EEG signal processing: Artifact EOG re-
moval by ICA-RLS scheme and Tracks extraction method
Autor:
Carlos Andr´es Guerrero Mosquera
Directores.
´
Dr. Angel Navia V´azquez
Dr. Armando Malanda Trigueros
Firma del Tribunal Calificador.
Presidente:
Vocal:
Vocal:
Vocal:
Secretario:
Calificaci´on:
Legan´es, a

Agradecimientos
En primer lugar me gustar´ıa agradecer a los profesores An´ıbal Figueiras y
´
Angel Navia V´azquez por la oportunidad que me dieron de poder conocer,
trabajar, aprender, mejorar y vivir una etapa de mi vida en la Universidad
Carlos III de Madrid. Sin vuestra confianza no hubiera sido posible el haber
llegado a Madrid. De igual manera quiero agradecer todo el apoyo recibido
en estos an˜os por parte del profesor Armando Malanda, a quien le debo de
igual forma mucho.
An´ıbal, quiero extender mi respuesta a tu´ adecuada pregunta: seguir´e
´
investigando y estudiando. Angel, gracias por secundar mis experimentos.
Armando, gracias tambi´en por esa ayuda que me diste cuando se me era
importante un diciembre. Te informo que estar´e siempre agradecido por tu
incondicional apoyo.
A los tres: ¡muchas gracias de coraz´on!
Esta tesis (como muchas) tiene una historia personal ligada. Han pasado
muchos an˜os desde que dej´e mi Irun˜a para coger rumbo al Reino Unido.
Recuerdo que ese viaje lo hice con un ´animo derrotado y con ganas de regre-
sarme a Colombia, dando por hecho que mi trecho de investigador caducaba.
Ahora que escribo estas l´ıneas y que ha pasado la tormenta, quiero agradecer
a toda mi familia, desde mi abuela hasta la u´ltima bisnieta. Gracias Ofe,
MariaPao, mam´a, tias, tios, primas y primos.
Obviamente todos estos an˜os he estado rodeado de personas muy espe-
ciales a quien quiero dar las gracias y espero no omitir a nadie:
A Ainarica, navarrica, a la que quiero mucho ya que me apoy´o en todos
los momentos dif´ıciles y me acompan˜´o en un 90% del doctorado: Eskerrik
asko denagatik Ainara, muchas gracias por todo ese apoyo. Te merec´es todo
lo lindo que pueda suceder en la vida. Emozioz eta musikaz beteriko bizitza
opa dizut eta maite zaitut.
A mis primeros colegas en Pamplona que me acompan˜aron y me obse-
quiaron su amistad. Gracias a ellos, ese primer invierno europeo no me fu´e
tanfr´ıobajoeseabrigofraternal: JuliantxoParada,Heller,IgnacioRodriguez
y Armando. Os recuerdo un mont´on.
A Aurelie Viry por todo su amor, apoyo y confianza en m´ı. Gracias por
ii Agradecimientos
esos meses en Paris y ese par de an˜os al lado m´ıo.
A mis amigos de Edinburgh, con quien compart´ı cuatro estaciones de
ilusi´on: Iv´an Charvert, Akshay, Stephanie, Pavlos“malaka”y Batiste. Au´n
recuerdo nuestras charlas en la cocina observando esa lluvia no pausada de
Escocia.
A mis segundo grupo de colegas en Pamplona que conoc´ı a mi vuelta del
Reino Unido. Aquel piso de Ermitagan˜a...Andr´es Zazpe con su“cencerr´ın”,
Imanol“el artista”, Antonio“el triki”, Patxi“Francesco”, Mario, Javi, V´ıctor
, Plut´ın y a toda la cuadrilla de chicas y chicos que me alegraron de igual
forma los fines de semana en Pamplona: Clara Zunzarren, Maribel, Jess,
Maki, Joana, Ana, Borja, David, In˜igo...¡Gora San Ferm´ın y Aupa Osasuna!
A esas primeras personas que me recibieron con una sonrisa en mi periplo
en la UC3M. Vanessa, quien me ayud´o mucho con TDS y en llevar de mejor
proceder el trabajo con An´ıbal; Manu con quien tuve muchas charlas intere-
santes; Javi y Jaisiel quienes me hac´ıan re´ır un mont´on; Azpi que me alegra
hasta hoy las largas jornadas del laboratorio; Carlos Mart´ınezcon quien com-
part´ı esos caf´es tempraneros; Marilight por ensen˜arme el mundo del flamenco
y darme mucho carin˜o; Roc´ıo por su ayuda en tr´amites burocr´aticos tan in-
eludible; Sara por su siempre sonrisa; Edu por sus apariciones su´bitas muy
“spicy”; Rosa y sus temas tan profundos; Rub´en y Sergio por su compan˜´ıa
“desde el otro lado” estos u´ltimos fines de semana; y a Dar´ıo, a quien echo
en falta ahora que est´a por Australia.
Quiero mencionar a los profesores del departamento de quienes me llevo
un recuerdo especial: Emilio Parrado por sus charlas de pasillo tan intere-
santes y jocosas. Harold por su eficiencia. Jer´onimo por su funcionalidad.
Jesu´s por su brillantez. David Luengo por nuestro PFC. Antonio Art´es por
suamabilidad. MatiporsusupertobleronequesiempreregalabayMarcelino
por su energ´ıa. Gracias a todos.
Al profesor Michel Verleysen por ensen˜arme a llevar ecuaciones te´oricas
a la praxis y por toda su amabilidad que me ofreci´o en Louvain.
A Jorge Iriarte, neurofisi´ologo de la Cl´ınica Universitaria de Navarra.
Gracias por toda esa sabidur´ıa y paciencia que tuvo para conmigo.
A los dos revisores externos que gentilmente dieron su visto bueno a la
tesis: Ga¨el de Lannoy y Lars Kain Hansen, Thank you very much!
A los del grupo barrita con tomate: Luis, Soufi, Efra, Robert, Adil y
Agradecimientos iii
Marta. Gracias por vuestras historias, chistes, sonrisas que viene tan bien
cuando se est´a investigando, pero en especial quiero agradecer a la Sita
Gestora de Proyectos, Marta, que ha estado ah´ı, d´andome su luz y ensen˜´an-
dome tanto. Si soy ahora un poco mejor, es gracias a ella.
Amisamigosfor´aneoscomoyo: DiegoF., Juli´an, Neila, Ricardo,Marilea,
Darwin, Jair, Leo y mi Moysen. Sin vosotros hubiera perdido muchas cosas
de mi Pa´ıs y de Latinoam´erica. Gracias de coraz´on. Moysen, te agradezco
por esa sabidur´ıa espiritual que me das y toda esa alegr´ıa que transmites.
DTB.
A Ingrid por esa fuerza que desde Colombia me ha dado y por todo su
amor.
A mi Dios@, que espero sea vuestr@, ll´amese como se llame. Lo impor-
tante no es creer en su existencia sino en que EL/ELLA crea en la vuestra.
A todos, muchas gracias.

Abstract
Localizing the bioelectric phenomena originating from the cerebral cortex
and evoked by auditory and somatosensory stimuli are clear objectives to
both understand how the brain works and to recognize different pathologies.
Diseases such as Parkinson’s, Alzheimer’s, schizophrenia and epilepsy are in-
tensively studied to find a cure or accurate diagnosis.
Epilepsy is considered the disease with major prevalence within disorders
with neurological origin. The recurrent and sudden incidence of seizures can
lead to dangerous and possibly life-threatening situations. Since disturbance
of consciousness and sudden loss of motor control often occur without any
warning, the ability to predict epileptic seizures would reduce patients’ anx-
iety, thus considerably improving quality of life and safety.
The common procedure for epilepsy seizure detection is based on brain
activity monitorization via electroencephalogram (EEG) data. This process
consumes a lot of time, especially in the case of long recordings, but the ma-
jor problem is the subjective nature of the analysis among specialists when
analyzing the same record. From this perspective, the identification of hid-
den dynamical patterns is necessary because they could provide insight into
the underlying physiological mechanisms that occur in the brain.
Time-frequency distributions (TFDs) and adaptive methods have demon-
strated to be good alternatives in designing systems for detecting neurode-
generativediseases. TFDsareappropriatetransformationsbecausetheyoffer
the possibility of analyzing relatively long continuous segments of EEG data
even when the dynamics of the signal are rapidly changing. On the other
hand, most of the detection methods proposed in the literature assume a
clean EEG signal free of artifacts or noise, leaving the preprocessing problem
opened to any denoising algorithm.
In this thesis we have developed two proposals for EEG signal processing:
the first approach consists in electrooculogram(EOG) removal method based
on a combination of ICA and RLS algorithms which automatically cancels
the artifacts produced by eyes movement without the use of external “ad
hoc”electrode. This method, called ICA-RLS has been compared with other
techniques that are in the state of the art and has shown to be a good
alternative for artifacts rejection. The second approach is a novel method
in EEG features extraction called tracks extraction (LFE features). This
method is based on the TFDs and partial tracking. Our results in pattern
extractions related to epileptic seizures have shown that tracks extraction is
appropriate in EEG detection and classification tasks, being practical, easily
applicable in medical environment and has acceptable computational cost.