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