Nettoyer un signal cérébral : ce que le filtrage change, et ce qu'il cache

Le dernier article s’est terminé par un pic confirmé à 60 Hz dans le spectre de puissance — invisible à l’échelle large, évident une fois zoomé. Cet article est la suite : ce qui arrive vraiment au signal une fois que ce bruit, et tout ce qui est en dehors de la plage de fréquences qui m’intéresse, est filtré.

Le filtre

Deux choses appliquées ensemble, sur le même sujet/run que l’article précédent :

Passe-bande, 1–40 Hz. Garde la plage de fréquences où vivent les signaux qui m’intéressent — le travail sur l’imagerie motrice regarde typiquement les bandes mu (8–13 Hz) et bêta (13–30 Hz), donc 1–40 Hz garde ça avec de la marge des deux côtés, tout en éliminant la dérive très lente en dessous de 1 Hz et le bruit musculaire/électronique haute fréquence au-dessus de 40 Hz.
Coupe-bande, 60 Hz. Cible spécifiquement les interférences du secteur confirmées dans l’article précédent, sans toucher aussi fort les fréquences juste à côté qu’une large coupure passe-bande le ferait.

output

Peak power at 60 Hz:
before = 1.395e-11
after  = 1.428e-16
ratio  = 97,686x reduction

Une réduction de 97 686 fois la puissance exactement à 60 Hz, et nulle part ailleurs dans le spectre — c’est exactement ce qu’un filtre coupe-bande est censé faire : un retrait chirurgical d’une fréquence, pas un nettoyage général.

Ce que montre le spectre avant/après

Tracés côte à côte, 0–80 Hz : le spectre « avant » a la pente descendante attendue en 1/f plus le pic à 60 Hz posé dessus. Le spectre « après » garde la même forme générale à travers la bande passante, puis chute fortement à partir d’environ 40 Hz — la coupure passe-bande — jusqu’à une puissance proche de zéro au-dessus, avec le pic à 60 Hz entièrement disparu.

La partie facile à mal faire

Les fréquences de coupure d’un filtre sont une décision, pas un défaut. 1–40 Hz n’a pas été tiré de nulle part — c’est assez large pour garder la plage mu/bêta dont j’ai réellement besoin avec de la marge, et assez étroit pour éliminer le pire de la dérive lente et du bruit haute fréquence. Une tâche différente — disons, quelque chose qui s’intéresse à l’activité en bande gamma au-dessus de 40 Hz — aurait besoin d’une coupure entièrement différente, et choisir le défaut du manuel EEG sans vérifier ce qu’il garde ou élimine pour cette tâche est exactement le genre d’erreur silencieuse qui ne déclenche aucune erreur. Widmann et al., 2015

Ce que j’emporte vers la prochaine étape

Ce filtre — passe-bande 1–40 Hz, coupe-bande 60 Hz — devient l’étape de prétraitement fixe pour chaque expérience après celle-ci, appliquée de façon identique à chaque sujet, ajustée avant qu’une division ne se produise plutôt que par repli (il n’y a rien de dépendant des données à fuiter ici ; les fréquences de coupure sont choisies une fois, à partir de connaissances du domaine, pas apprises des données). Avoir les chiffres avant/après ici signifie que ce choix est documenté, pas supposé.

Sources & articles utilisés pour apprendre cela

Widmann et al.2015

Digital filter design for electrophysiological data — a practical approach

Contexte sur pourquoi le choix du filtre (fréquences de coupure, ordre du filtre, zéro-phase vs causal) est une vraie décision méthodologique dans le traitement EEG, pas un défaut à accepter aveuglément.
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