Orientador: Douglas Domingues Bueno / Resumo: A busca por uma melhor compreensão das regiões do cérebro e suas funções nas ações humanas tem sido uma tarefa árdua, porém muito útil, principalmente para aplicações da engenharia de interface cérebro-máquina (ICM), bem como para o auxílio a diagnósticos médicos a partir de sinais obtidos dos pacientes em avaliação. No contexto do presente trabalho, destacam-se os trabalhos de interface cérebro-máquina (ICM) pela abrangência no envolvimento de técnicas, métodos e ferramentas comumente estudadas nos cursos de engenharia. Em particular, análises envolvendo técnicas de processamento de sinais de eletroencefalograma (EEG) têm se mostrado de significativa importância para o desenvolvimento dessa área. Uma abordagem amplamente utilizada nesse contexto é a ICM usando Potenciais Visuais Evocados de Estados Estacionários (SSVEP, do inglês Steady-State Visual Evoked Potentials), que, de forma geral, são sinais caracterizados pela resposta evocada do cérebro a estímulos visuais modulados em uma frequência específica. Assim, este trabalho tem o objetivo de propor uma generalização do coeficiente de correlação, conceito-base da análise de correlação canônica (CCA), técnica que tem se mostrado robusta e eficiente no reconhecimento de padrões, especialmente no caso dos SSVEP, e detalhar seu comportamento em função dos parâmetros relevantes para se estabelecer melhores práticas de uso em aplicações de ICM, incluindo fatores fisiológicos, técnicos e operacionais. / Abstract: The search for a better understanding of the brain's anatomy and its functions on human actions has been a harsh yet very useful task, especially for brain-computer interface engineering applications, as well as for medical diagnosis using signals from patients. In the context of this work, brain-computer interface (BCI) applications are highlighted due to their compreehensiveness related to techniques, methods and tools commonly studied in engineering. In particular, analyses involving eletroencephalogram (EEG) signals processing have proven to be of great significance for developing this field of study. A widely used approach is Steady State Visual Evoked Potentials (SSVEP) based BCI, which, in general, are signals characterized by the brain’s evoked response to visual stimuli modulated at a certain frequency. This work aims thus to propose a generalization of the correlation coefficient, which entails Canonical Correlation Analysis (CCA), a technique that has presented robustness and efficiency for pattern recognition, especially in SSVEP-based BCIs, and describe its behavior under relevant varying parameters to stablish better use practices in BCI applications, comprising physiological, technical and operational factors. / Mestre

A prematuridade ao nascimento é um fator de risco para a visão, podendo causar retinopatia, uma condição em que há descolamento da retina. Retinopatia da prematuridade ocorre em uma parcela relativamente pequena dos recém nascidos prematuros e não sabemos se os demais, cujo desenvolvimento visual é aparentemente normal, seguem de fato o mesmo curso que o observado em bebes nascidos após uma gestação completa, ou se também sofrem algum prejuízo devido ao nascimento prematuro. Alternativamente, estes bebês poderiam ter um desenvolvimento visual acelerado pela sua exposição mais longa ao mundo visual. Para saber se a condição de prematuridade acelera, retarda, ou não altera o desenvolvimento da visão, o presente trabalho comparou o desenvolvimento das funções de acuidade visual e de sensibilidade ao contraste espacial de luminância em bebês nascidos prematuros e a termo. O estudo utilizou o método dos Potenciais Visuais Corticais Provocados de Varredura para examinar essas funções. Possíveis correlações entre os limiares visuais obtidos durante o primeiro ano de vida e idade gestacional, índices de Apgar, e valores de peso ao nascimento, foram examinadas. Os participantes foram 57 bebês de ambos os sexos encaminhados pelo Hospital Universitário da Universidade de São Paulo, dos quais 31 prematuros e 26 nascidos a termo. As avaliações foram realizadas principalmente em 3 fases do desenvolvimento visual: 4, 6 e 12 meses de vida. Os bebês prematuros tiveram suas idades corrigidas com relação à idade gestacional para a comparação com os grupos de termos. Um grupo de 14 sujeitos adultos também foi avaliado com os mesmos estímulos visuais. As avaliações das funções de acuidade visual e sensibilidade ao contraste foram realizadas através do método de potenciais visuais corticais provocados de varredura. Eletrodos posicionados no escalpo da região occipital dos pacientes captaram as respostas eletrofisiológicas provocadas por estímulos gerados em um monitor de alta resolução por um sistema computadorizado (sistema NuDiva). Estes estímulos consistiam de grades quadradas com valor de contraste fixo (80%) para avaliação da acuidade visual, e grades senoidais de 4 freqüências espaciais: 0,2 , 0,8 , 2,0 e 4,0 ciclos por grau para a avaliação da sensibilidade ao contraste. Prematuros e termos não apresentaram diferenças estatísticas significantes nas funções visuais avaliadas em nenhuma fase do desenvolvimento. O pico de sensibilidade ao contraste ocorreu entre .8 e 2.0 cpg de 4 meses de idade. No sexto mês o pico deslocou-se para 2.0 cpg, e entre os meses 9 e 12 passou para freqüências espaciais mais altas, por volta de 4.0 cpg coincidindo com o pico encontrado para os adultos. Nossos dados sugerem que nem a experiência visual, maior nos prematuros em relação aos termos, nem o tempo de gestação, maior nos termos em relação aos prematuros, afetam o desenvolvimento da visão espacial em humanos. / Prematurity at birth is a risk factor for vision, since it may lead to retinopathy - a condition in which there is retinal detachment. Retinopathy of prematurity occurs in a relatively small percentage of premature infants and it is not known if the remainder, whose visual development is apparently normal, follow the same course as in term babies after a complete gestational period, or if they also suffer some loss from having been born before complete development. Alternatively, these babies might have an accelerated visual development due to their longer exposure to the visual world, compared to term babies. To examine if prematurity accelerates, slows down, or does not affect visual development, the present study compared the development of visual acuity and contrast sensitivity in premature and term babies. The study used the methodology of the sweep visual evoked potentials to examine these functions. Possible correlations between visual thresholds obtained during the first year of life and gestational age, apgar index and birth weight, were examined. Participants were 57 infants of both genders, recruited by the University Hospital of São Paulo University, of which 31 were prematurely born and 26 were term infants. Evaluations were performed at three visual developmental epochs: 4, 6 e 12 months of age. The age of preterm infants was corrected by their gestational ages in order to allow comparison with the term infants. Another group with 14 adult subjects was tested with the same visual stimulus. Visual acuity and contrast sensitivity tests were performed with the sweep visual evoked potential method. Electrodes placed over the infant\'s scalp at the occipital role recorded electrophysiological responses evoked to visual stimuli generated by a high resolution monitor of a computerized system. The stimuli were square wave gratings with 80% of contrast to evaluate visual acuity, and sine wave gratings of 4 spatial frequencies: 0,2 , 0,8 , 2,0 e 4,0 cycles per degree to evaluate contrast sensitivity. Preterm and term infants did not show statistical differences in the evaluated visual functions in any developmental phase. The contrast sensitivity peak occurred between 0.8 and 2.0 cpd at 4 months of age. At the sixth month the peak moved to 2.0 cpd and it was displaced to a higher spatial frequency (4.0 cpd) at 12 months, where it coincides with the adult SCS peak. Our data suggest that neither visual experience, longer in the preterm, nor gestational age, longer in the term infants, seems to affect spatial vision functions in humans.

Orientador: Prof. Dr. Diogo Coutinho Soriano / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica, 2017. / Interfaces cérebro-computador (BCIs) definem canais de comunicação capazes de mapear sinais cerebrais em sinais de controle para dispositivos externos, sem utilização dos eferentes biológicos, utilizando comumente estratégias não invasivas para tanto, tal como obtido pela eletroencefalografia de superfície. Dentre os principais paradigmas BCI têm-se os potenciais visualmente evocados em regime estacionário (SSVEP - steady state visually evoked potential), o qual se baseia no sincronismo da atividade elétrica do córtex visual com estímulos visuais externos, permitindo assim a identificação dos eletrodos e frequências estimulatórias mais eficientes para a discriminação dos estímulos escolhidos pelo usuário via modulação da sua atenção. Tal paradigma de sistema BCI tem sido utilizado como uma importante estratégia no âmbito do desenvolvimento de tecnologias assistivas, as quais visam aumentar a qualidade de vida de pacientes com severas limitações motoras e de comunicação. Neste contexto, o presente trabalho apresenta contribuições à implementação de sistemas BCI-SSVEP operando de modo off-line e em tempo de execução (on-line). Para tanto, analisa-se aqui um conjunto de estruturas de processamento de sinais que levam ao melhor desempenho na tarefa de reconhecimento de padrões considerando técnicas clássicas de estimação de espectro e análise de correlação canônica (CCA - Canonical Correlation Analysis), um método comumente referenciado por seus bons resultados. Comparativos envolvendo variantes de pré-processamento baseados na filtragem espacial e na seleção de atributos também são apresentados. Dois conjuntos de dados foram analisados em ambiente off-line e um em tempo de execução. O primeiro conjunto de dados off-line foi analisado a partir da coleta de dados em cooperação científica no contexto do projeto DesTiNe, enquanto o segundo conjunto envolveu coleta de dados off-line e em tempo de execução no próprio laboratório de Métodos Computacionais para a Bioengenharia da UFABC. Como contribuições centrais podem-se mencionar: 1) comparativo de desempenho utilizando variantes de técnicas de filtragem espacial, extração e seleção de características em ambiente off-line; 2) implementação de um setup completo experimental para realização de experimentos BCI-SSVEP com neuro-feedback visual e auditivo; 3) Disponibilização de uma base de dados BCI-SSVEP contendo aquisições de 15 sujeitos com 12 sessões de 6 segundos para cada uma das 4 frequências (10, 11, 12 e 13 Hz), totalizando 48 sessões por sujeito, i.e. um total de 720 sessões de 6 s ou 4.320 s de dados disponibilizados para a comunidade científica; 4) Comparação de 3 métodos de extração de características em âmbito off-line (FFT, Welch e CCA); 5) Comparação de 2 métodos de extração de características em âmbito on-line, FFT e CCA; 6) Análise de desempenho on-line versus off-line. / Brain-computer interfaces (BCIs) define communication channels capable of mapping brain signals in control signals to external devices, without the use of biological efferents, using commonly non-invasive strategies for both, as obtained by surface electroencephalography. Among the main BCI paradigms are the steady state visually evoked potentials (SSVEP), which is based on the synchronization of the electrical activity of the visual cortex with external visual stimuli, thus allowing the identification of the electrodes and frequencies stimulus for discriminating the stimuli chosen by the user by modulating its attention. This BCI system paradigm has been widely used in the development of assistive technologies, which aim to increase the quality of life of patients with severe motor and communication limitations. In this context, this work presents contributions to the implementation of BCI-SSVEP systems operating offline and at run-time. To do so, we analyze here a set of signal processing structures that lead to the best pattern recognition performance considering classical techniques as spectrum estimation and Canonical Correlation Analysis (CCA), a commonly cited method for its good results. Comparisons involving preprocessing variants based on spatial filtering and attribute selection are also presented. Two sets of data were analyzed in an offline environment and one at run time. The first set of off-line data was analyzed from data collection in scientific cooperation in the context of DesTiNe project, while the second set involved off-line and run time data analysis in the Laboratory of Computational Methods for Bioengineering at UFABC. As central contributions may be mentioned: 1) comparative performance using variants of techniques of spatial filtering, feature extraction and feature selection in an offline environment; 2) implementation of a complete experimental setup to perform BCI-SSVEP experiments with visual and auditory neuro-feedback; 3) Availability of a BCI-SSVEP database containing acquisitions of 15 subjects with 12 sessions of 6 seconds for each of the 4 frequencies (10, 11, 12 and 13 Hz), totaling 48 sessions per subject, ie a total of 720 sessions of 6 s or 4,320 s of data made available to the scientific community; 4) Comparison of 3 methods of feature extraction in off-line environment (FFT, Welch and CCA); 5) Comparison of 2 methods of feature extraction in online scope, FFT and CCA; 6) Analysis of performance online versus offline.