توصيفگر ها :
آشكارسازي P300 , واسط مغز و رايانه , دسته بند احتمالاتي , بيز ساده , بيز ساده وزن دار
چكيده فارسي :
پتانسيل وابسته به رخداد (ERP) يكي از الگوهاي مغزي است كه در پاسخ به رخدادهاي حسي، حركتي، عاطفي يا شناختي در سيگنال EEG ظاهر ميشود. P300 يكي از كليديترين مؤلفههاي سيگنال ERP است كه به صورت يك پيك مثبت در حدود 300 ميلي ثانيه پس از اعمال تحريك در سيگنال ERP مشاهده ميشود. به دليل ثبات مؤلفه P300، ارتباط تنگاتنگ آن با فرايندهاي تصميمگيري ناخودآگاه، تكرارپذيري آن در افراد مختلف و تغييرناپذيري آن با نوع تحريك، به وفور از آن براي توسعهي واسط مغز و رايانه (BCI) استفاده شده است. BCI يك دستگاه ارتباط سختافزاري و نرمافزاري است كه با ترجمهي سيگنالهاي مغزي و تبديل آنها به تصميمات بامعنا، ابزارهاي خارجي مانند رايانه و عملگرها را تحت كنترل فرد درميآورد. مهمترين بخش يك BCI مبتني بر P300، بخش پردازشي آن است كه وظيفهي آشكارسازي مؤلفه P300 و تشخيص فعاليت/حالت ذهني را بر عهده دارد. روشهاي متداول آشكارسازي P300 بر مبناي استخراج ويژگي و يادگيري ماشين هستند كه عموما به محاسبات پيچيدهاي براي آموزش، استنباط يا هر دو نياز دارند. همچنين، اين روشها عمدتا تفسيرپذير نيستند و استخراج بينش و تفاسير شهودي (دربارهي رفتار مغز) از آنها عموما غيرممكن است. در اين پايان نامه، روند پاسخ مغز به محركهاي بصري و توليد مؤلفه P300 از نقطه نظر آماري و احتمالاتي مورد بررسي قرار گرفته است. در اين راستا، با مدلسازي مسئله در يك چارچوب بيزي، ابتدا مدلهاي دستهبندي احتمالاتي بيز ساده و بيز مبتني بر زنجيره ماركوف با توابع درستنمايي نرمال براي آشكارسازي مؤلفه P300 ارائه شده است و عملكرد اين مدلها روي يك مجموعه داده مربوط به آزمايش هجيكننده P300 با معيارهاي رايج گزارش شده است. پس از اطمينان از عملكرد بهتر مدل بيز ساده، به خصوص در حالت چندكاناله، الگوريتمي زيربهينه براي يافتن بازه زماني و مجموعه كانال مناسب براي بهبود عملكرد مدل بيز ساده چندكاناله در آشكارسازي P300 و تشخيص حروف در هجيكننده P300 پيشنهاد شده است. در ادامه، با تعميم مدل بيز ساده به بيز ساده وزندار، بهينهسازي وزنها با يك روش پيشنهادي و تركيب آن با الگوريتم زيربهينهي پيشگفته، دستهبند احتمالاتي نهايي براي آشكارسازي P300 و تشخيص حروف در هجيكننده P300 ارائه شده است. روش پيشنهادي مبتني بر بيز ساده وزندار قادر به دستيابي به دقت تشخيص حروف %100 و نرخ انتقال اطلاعات 72/32 بيت بر دقيقه با 4 تكرار آزمايش است. با مقايسهي عملكرد روش پيشنهادي با برخي از روشهاي مشابه، نشان داده شده است كه روش پيشنهادي در عين دستيابي به عملكرد مطلوب، بهينگي محاسباتي و تفسيرپذيري مناسبي دارد.
چكيده انگليسي :
Event-related potentials (ERPs) are small voltages generated in the brain in response to specific sensory, cognitive, or motor event. The P300 wave is an ERP component elicited in the process of decision making and surfaces as a positive peak in the ERP signal about 300ms after stimuli. Due to the consistency, reproducibility, and ubiquity of the P300 response and its relevance to unconscious decision-making processes, it has been widely used to develop brain-computer interfaces (BCIs). BCI is a direct communication pathway between the brain and an external device (e.g., computer, wheelchair, prosthesis) that translates brain signals into meaningful commands for controlling the device. The most important part of a P300-based BCI is its processing part which is responsible for detecting the P300 component from the input ERP signal to recognize the mental state/activity. Most state-of-the-art P300 detection methods are based on feature extraction and machine learning which are computationally demanding to be trained, inferred, or both. Moreover, such methods are mostly uninterpretable, making it almost impossible to gain insights into brain functionality. In this thesis, elicitation of P300 in response to visual stimuli is studied from statistical and probabilistic points of view. To this end, the problem is modeled in a generic Bayesian framework, and two probabilistic classifiers, namely naïve Bayes and Markov chain-based Bayes, are presented for P300 detection. The performance of the two classifiers is then evaluated on a P300 speller data set, and it is shown that the naïve Bayes model, especially in the multi-channel settings, outperforms Markov chain-based Bayes model. A suboptimal algorithm is then proposed to further improve the performance of the multi-channel naïve Bayes model in P300 detection and character recognition by finding suitable time range and set of channels. The final probabilistic classifier is proposed by extending the naïve Bayes model to weighted naïve Bayes (WNB), optimizing the weights using a proposed optimization method, and incorporating the aforementioned suboptimal algorithm. The proposed WNB-based method achieved 100% character recognition accuracy and 32.72 bit/min information transfer rate using 4 trials of spelling experiments. The performance of the proposed method is also compared with some state-of-the-art methods, and it is shown that the proposed method achieves state-of-the-art accuracy while being interpretable and less computationally demanding.