توصيفگر ها :
رابط مغز-كامپيوتر , الكتروانسفالوگرام , يادگيري عميق , انتخاب كانال , الگوريتم ژنتيك
چكيده فارسي :
امروزه، توسعهي رابطهاي مغز-كامپيوتر به منظور پل ارتباطي بين مغز و دنياي بيرون و به خصوص براي تسهيل زندگي و فعاليت افرادي كه دچار ناتوانيهاي حركتي هستند، سرعت بيشتري يافته است. يكي از الگووارههايي كه در چهارچوب يك سيستم رابط مغز-كامپيوتر تعريف ميشود، طبقهبندي تصور حركت بوده كه در آن فرد انجام حركتي را تصور نموده و بر اساس سيگنال ثبت شده از مغز او، كامپيوتر نوع حركت را تشخيص ميدهد. يكي از انواع ثبت سيگنالهاي مغزي الكتروانسفالوگرافي (EEG) است. در اين روش ثبت سيگنال، به منظور افزايش تفكيكپذيري فضايي سيگنالها تعداد كانالهاي ثبت شده در تجهيزات ثبت جديدتر افزايش يافته است. ولي بايد در نظر داشت كه افزايش تعدادكانال به دليل هزينههاي محاسباتي و سختافزاري و استفادهي دشوارتر براي كاربر، در كاربرد تجاري مناسب نيست. از طرفي، با گسترش استفاده از شبكههاي عميق در كاربردهاي مختلف و توانايي بالاي اين شبكهها در شناسايي الگو و طبقهبندي انواع مختلف داده، استفاده از اين شبكهها در حوزهي طبقهبندي سيگنالهاي EEG نيز بسيار رايج شده و براي وظايف مختلف در اين حوزه، معماريهاي مختلفي طراحي شده است. با وجود بهبود عملكرد رابطهاي مغز كامپيوتر مبتني بر شبكههاي عميق، همچنان قابليت تعميمپذيري و دقت اين سيستمها چالش برانگيز بوده و نياز به بهبود دارد. همچنين، بر خلاف روشهاي كلاسيك كه در آن مطالعات مقايسهاي وسيعي براي پيشپردازش و استخراج ويژگي وجود دارد، در مطالعات مبتني بر شبكههاي عميق، عدم وجود چنين مطالعاتي به چشم ميخورد. به منظور بررسي پيشپردازش و پردازشهاي موثر در طبقهبندي سيگنالهاي EEG مبتني بر مسئلهي تصور حركت، در اين پاياننامه ابتدا يك شبكهي پيچشي پايه كه قابليت تعميمپذيري و عملكرد مناسبي داشته و مطالعات زيادي بر اساس انجام گرفته، به عنوان شبكهي پايه انتخاب ميشود. سپس، تاثير روشهاي مختلف هنجارسازي و فيلتركردن در باندهاي فركانسي مختلف مورد بررسي قرار ميگيرد. همچنين، تاثير وروديهاي مختلف و تركيب آنها در فضاي تبديلهاي فوريه و موجك به عنوان ورودي شبكه بررسي ميشود. پس از آن، انتخاب كانال به منظور كاهش هزينههاي محاسباتي و سختافزاري و همچنين افزايش كارايي سيستم، بررسي ميگردد. به اين منظور، از دقت شبكهي پايهي مورد استفاده به عنوان معيار ارزيابي استفاده شده و بر اين اساس دو روش جستوجوي سلسلهمراتبي افزايشي و كاهشي به عنوان روشهاي جستوجويي كه در بين ديگر روشهاي جستوجو، سرعت اجراي بيشتري دارد، مورد بررسي قرار ميگيرد و بر اين اساس، بهبود كارايي سيستمهاي رابط مغز-كامپيوتر با استفاده از شبكههاي عميق نشان داده ميشود. سپس به منظور جستوجوي گستردهتر فضاي زيرمجموعه كانالها، يك روشمبتني بر الگوريتم ژنتيك به عنوان يك روش جستوجوي فرا-ابتكاري با امكان جستوجوي وسيعتر كه امكان دستيابي به زيرمجموعهاي بهتر را فراهم مينمايد، پيشنهاد ميشود. از آنجايي كه استفاده از الگوريتم ژنتيك زمانبر است، با تركيب اين روش با روشهاي جستوجوي سلسلهمراتبي يك روش تركيبي پيشنهاد ميشود كه در تعداد نسل كمتر به زيرمجموعهاي با دقت بالاتر دستيابد. نتايج نشاندهندهي برتري روش پيشنهادي از نقطهنظر دقت طبقهبندي در مقايسه با روشهاي انتخاب كانال پوششي بر روي مجموعه دادهي مورد استفاده در اين تحقيق است.
چكيده انگليسي :
Nowadays, the development of brain-computer interfaces, as a bridge between the brain and the world outside, has accelerated. These systems mainly assist the activities of people with severe disabilities. The motor imagery (MI) task is a widespread paradigm used in the BCI framework. In MI-based BCIs, a subject imagines the movement of a body part, and the computer detects which part is imagined based on the received signal. Electroencephalography (EEG) is a standard method of brain activity recording. In recent recording devices, the number of electrodes has increased to improve the EEG's spatial resolution. However, the increase of channels causes computational and hardware costs and also causes setup difficulties. Hence, in commercial applications, we cannot use a high number of electrodes. The recent expansion of deep neural networks in pattern recognition and classification has brought these networks into the processing and classifying of EEG signals. A diverse range of network architectures is designed for different tasks. Despite improving the performance of DNN based BCI systems, the generality and accuracy of these systems have remained a challenge. Besides, despite classic classification methods that have a wide range of comparative studies, there is a lack of such studies in deep learning methods. In this thesis, we first consider a convolutional network as the base classifier to compare the effect of pre-processing methods in the deep learning-based classification of EEG signals for MI tasks. Then, the influence of different normalization methods and filtering in different frequency bands is studied based on the performance of the base network. Also, we investigate the effect of frequency-domain transforms, such as wavelets, and combining them with the time-domain as the network's input. After that, channel selection is studied to reduce computational and hardware costs and increase the system's performance. To this end, the base network's accuracy is considered as the evaluation criterion. According to this evaluation metric, two sequential search algorithms that work faster among other search algorithms are tested. Based on them, two-channel selection methods named incremental and decremental sequential channel selection algorithms are proposed, and the effect of using them is investigated based on the base network. Then, to search a wider space in channel subsets, a genetic algorithm as a metaheuristic search algorithm is proposed due to genetic's capability to search wider and finding a better subset of channels. As the proposed genetic algorithm takes a long time, combining it with the incremental sequential channel selection method is proposed to make the genetic algorithm converges faster and to a better subset of channels. The proposed combined method has shown superiority over the state-of-the-art channel selection method, showing excellent performance on the used dataset.