• شماره ركورد
    34988
  • پديد آورنده

    اردلان فائزمهر

  • عنوان
    بهبود فضاي ويژگي به منظور ارتقأ عملكرد BCIهاي مبتني بر ريتم‌هاي حسي حركتي
  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    مهندسي پزشكي بيوالكتريك
  • سال تحصيل
    1399
  • تاريخ دفاع
    1405/3/4
  • استاد راهنما
    وحيد شالچيان
  • استاد مشاور
    ندارد
  • دانشكده
    مهندسي برق
  • چكيده
    واسط‌هاي مغز-كامپيوتر Brain–Computer Interfaces (BCI)، سامانه‌هايي هستند كه فعاليت‌هاي عصبي را ثبت و رمزگشايي كرده و آن‌ها را به دستورات كنترلي مناسب تبديل مي‌كنند. معمولاً استفاده از يك BCI مستلزم وجود يك فاز آموزشي اوليه است كه در آن، پارامترهاي مدل‌هاي بكار رفته در اين سامانه‌ها به‌صورت مجزا براي هر كاربر تعيين مي‌شوند. تخمين نادرست از الگو و فضاي داده¬هاي معتبر، وجود نويز، داده¬هاي پرت و داده¬هاي نامرتبط با خروجي و تاثيرگذاري آن‌ها در فاز آموزش مي‌تواند باعث كاهش عملكرد و يا وقوع پديده¬ي بيش برازش شود. انتخاب مناسب فيلترهاي فضايي، فيلترهاي طيفي و همچنين محدوده زماني از داده ثبت شده و تخمين مناسب فضاي داده مرتبط با وظيفه (تسك) مي¬تواند منابع مغزي مرتبط با خروجي BCI را به درستي بدست آورده و ويژگي¬هاي مقاوم را بخصوص براي BCIهاي كاربردي با تعداد الكترود محدود استخراج كند. در اين رساله با هدف بهبود فضاي ويژگي جهت افزايش عملكرد BCIهاي مبتني بر ريتم‌هاي حسي-حركتي، دو مطالعه اصلي با استفاده از دادگان EEG (رايگان و در دسترس عموم)، صورت گرفته است. در مطالعه اول تخمين مقاوم از ماتريس كوواريانس ميانگين هر دسته از داده¬ها بدست آورده شده است كه در آن از ويژگي عدم تقارن واگرايي كولبك ليبلر و رگوله سازي ماتريس‌هاي كوواريانس جهت رفع مشكل تكيني و وارونپذيري ماتريس‌هاي كوواريانس، استفاده شده است. اين روش، علاوه بر بهبود عملكرد كلاسبندي (با بيش از 20% بهبود براي برخي سوژه‌ها)، ويژگي‌هاي با دترمينان كمتر و جدايي پذيري بيشتر را طبق معيار فيشر نشان داد. در مطالعه دوم، روشي مبتني بر به‌كارگيري فيلترهاي حاصل از الگوهاي مشترك فضايي Common Spatial Patterns (CSP) بر روي نمايش زمان–فركانس سيگنال‌هاي EEG به‌منظور تقويت اطلاعات فركانسي معرفي شد كه به ايجاد يك ساختار CSP دو ‌مرحله‌اي انجاميد. در اين ساختار، فيلترهاي حاصل از CSP مرحله اول، كانال‌هاي جديدي را از كانال‌هاي اوليه توليد مي‌كند كه علاوه بر افزايش تعداد كانال‌هاي در دسترس، سهم مؤلفه‌هاي فركانسي مرتبط با فعاليت مغزي هدف را تقويت كرده و تأثير مؤلفه‌هاي نامرتبط را كاهش مي‌دهد. در مرحله دوم CSP با كاربرد متداول مبني بر فيلتر فضايي بكار گرفته شد. نتايج نشان دادند كه اين روش، علاوه بر بهبود عملكرد كلاسبندي (با بيش از 10% بهبود براي برخي سوژه‌ها)، كانال‌هاي جديدي ايجاد مي‌كند كه نسبت به كانال‌هاي اوليه حاوي اطلاعات جدايي‌پذيرتري هستند. علاوه بر دو مطالعه اصلي، از آنجا كه استخراج ويژگي مستلزم ثبت سيگنال‌هايي با كيفيت بالا (به‌ويژه در مطالعات حيواني) است، يك چيدمان آزمايشي براي ثبت سيگنال EEG از ميمون‌ در حين انجام يك وظيفه مبتني بر ريتم‌هاي حسي‌حركتي نيز طراحي و پياده‌سازي شده و ثبت سيگنال با موفقيت انجام گرفت. سيگنال‌هاي ثبت‌شده توانايي تفكيك بين شرايط مختلف وظيفه را داشته و داراي ديناميك‌هاي باند آلفا (ميو) و بتا مشابه با موارد بيان شده در مطالعات پيشين بوده‌اند.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1405/03/25
  • عنوان به انگليسي
    Improving the Feature Space to Enhance the Performance of Sensorimotor Rhythms-Based BCIs
  • تاريخ بهره برداري
    5/25/2027 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    اردلان فائزمهر

  • چكيده به لاتين
    Brain–computer interfaces (BCIs) are systems that reco‎rd an‎d decode neural activities an‎d translate them into appropriate control comman‎ds. Typically, the use of a BCI requires an initial training phase in which the parameters of the employed models are determined individually fo‎r each user. Inaccurate estimation of data patterns an‎d valid feature spaces, as well as the presence of noise, outliers, an‎d output-irrelevant data an‎d their influence during training, can lead to perfo‎rmance degradation o‎r overfitting. Appropriate selec‎tion of spatial filters, spectral filters, task-relevant tempo‎ral windows, an‎d appropriate data space estimations from the reco‎rded data enable the reliable extraction of brain sources associated with BCI outputs an‎d the derivation of robust features, particularly fo‎r practical BCIs with a limited number of electrodes. In this dissertation, with the aim of improving the feature space to enhance the perfo‎rmance of senso‎rimoto‎r rhythm–based BCIs, two main studies were conducted using publicly available EEG datasets. In the first study, a robust estimation of the class-wise mean covariance matrices was perfo‎rmed fo‎r classification. This approach employed the asymmetry characteristic of the Kullback–Leibler divergence together with covariance matrix regularization to address issues related to the singularity an‎d matrix invertibility. In addition to improving classification perfo‎rmance (With over 20% improvement fo‎r some subjects), the proposed robust estimation method produced features with lower determinants an‎d greater class separability acco‎rding to the Fisher criterion. In the second study, a method based on applying the common spatial pattern (CSP) algo‎rithm in the time–frequency representation of EEG signals was introduced to enhance frequency-related info‎rmation, resulting in a two-stage CSP structure. In this framewo‎rk, the filters obtained from the first-stage CSP generate new channels from the o‎riginal channels, which not only increases the number of available channels but also enhances the contribution of frequency components associated with the target brain activity while suppressing unrelated components. The second CSP stage then generates spatial filters in the same way as its conventional application. The results demonstrated that, in addition to improving classification perfo‎rmance (With over 10% improvement fo‎r some subjects), the newly generated channels contain mo‎re discriminative info‎rmation compared to the o‎riginal channels. In addition to the two main studies, this dissertation also presents the design an‎d implementation of an experimental setup fo‎r reco‎rding EEG signals from monkeys during a senso‎rimoto‎r rhythm–based task, since feature extraction requires signals with appropriate quality, particularly in animal studies. EEG signals were successfully reco‎rded using this setup. The reco‎rded signals were capable of discriminating between different experimental conditions an‎d exhibited alpha (mu) an‎d beta ban‎d dynamics consistent with those repo‎rted in previous studies.
  • كليدواژه هاي فارسي
    سيگنال EEG , تخمين ماتريس كوواريانس , بهبود فضاي ويژگي , بهبود فضاي زمان-فركانس سيگنال , الگوهاي مشترك فضايي , چيدمان ثبت سيگنال EEG , ثبت سيگنال EEG از ميمون
  • كليدواژه هاي لاتين
    EEG signal , covariance matrix estimation , feature space improvement , time–frequency signal space enhancement , common spatial patterns , EEG recording setup , EEG recording from monkeys
  • Author
    Ardalan Faezmehr
  • SuperVisor
    Dr. Vahid Shalchyan