brain-computer interface
در نشریات گروه برق-
سیستم های واسط مغز و رایانه مبتنی بر دسته بندی تصور فعالیت های حرکتی با استفاده از سیگنال های چند کاناله EEG، نقش عمده ای در کنترل اندام های مصنوعی و ماشین ها توسط افراد معلول دارند. مشکل اساسی این سیستم ها بیش برازش دسته بند به دلیل تعداد زیاد کانال ها و نمونه های آموزشی کم و نویزی می باشد. در این مقاله روشی برای انتخاب کانال های بهینه، مبتنی بر بیشینه سازی اطلاعات متقابل کانال های منتخب و تصور حرکت مدنظر ارایه شده است. توان زیرباندهایی با پهنای2 هرتز در باند 8 تا 30 هرتز و در فواصل 250 میلی ثانیه ای در بازه نیم تا دو و نیم ثانیه پس از شروع تصور حرکت به عنوان ویژگی برای هر کانال استخراج شده است. بعد ویژگی های استخراج شده با ترکیب روش های L1-PCA و NWFE به 10 کاهش یافته است. صحت کل دسته بند SVM برای نمونه های آزمایش دو شخص aa و al از داده های مسابقات BCI III 87/94 و 51/96 درصد است در حالی که تعداد کانال ها از 118 به 7 کاهش یافته است.
کلید واژگان: سیستم های واسط مغز و رایانه، سیگنال EEG، دسته بندی تصور حرکات، انتخاب کانال، اطلاعات متقابل، تخمین آنتروپی kpnBrain-computer interface systems based on classification of the motor imageries (MI) using multi-channel EEG signal play a major role in the control of artificial limbs and machines by people with disabilities. One of the main problems in classifying these signals to recognize different MI tasks is the large number of channels. The large number of channels causes a lot of cost and hassle during the measurement process, increasing computational load of the preprocessing, feature extraction, and classification, difficulty of interpretation of results, and over-fitting of the classifier due to the limited number and noisy training samples. Since not all measured channels for classifying a particular MI task have useful information, it would be beneficial to select the optimal channels for classifying desired MI tasks. Channel selection methods are categorized into wrapper, filtered, hybrid, and embedded categories. In this paper, a filtering method is used due to less computational cost and the independence of the classifier. The used criterion is very important in filtering methods. Criteria based on first- and second-order data moments are less efficient for non-Gaussian classes. The proposed method uses mutual information between candidate channels and class label as a comprehensive criterion and sequential forward selection search strategy. One of the problems in using this criterion is the accurate estimation of mutual information in the high dimensional spaces. The kpn entropy estimator is used to accurately estimate the mutual information in high dimensional space with limited number of training samples. The power of 2 Hz non overlapping sub-bands in the 8-30 Hz band and in 250 milliseconds non overlapping intervals in half to two and a half seconds after the onset of MI are extracted as features for each channel. The extracted features are reduced to 10 for each channel by combining the unsupervised L1-PCA and supervised NWFE dimensionality reduction methods. The reported results show the ability of the proposed method to select effective channels for classifying left and right hand and feet MI tasks. The overall accuracy of the SVM classifier on test samples for two subjects labeled aa and al from the BCI III competition dataset is 94.87% and 96.51%, respectively, while the number of channels is reduced from 118 to 7 channels.
Keywords: Brain Computer Interface, EEG Signals, Motor Imagery Classification, Channel Selection, Mutual Information, kpn Entropy Estimation -
سیستم رابط مغز و رایانه یک مسیر ارتباطی بین مغز و رایانه فراهم می کند و اخیرا مورد توجه روزافزون قرار گرفته است. یکی از رایج ترین پارادایم های سیستم های رابط مغز و رایانه، تصور حرکتی است. سیستم رابط مغز و رایانه مبتنی بر تصور حرکتی با بهره گیری از سیگنال های الکتروانسفالوگرام در هنگام اخذ سیگنال از تعداد زیادی کانال استفاده می کنند. کانال های غیرمرتبط با کار مورد نظر، سبب ایجاد تداخل نامطلوب و افزایش سطح نویز می گردد. در این مقاله، ما دو روش انتخاب کانال بهینه را برای بهبود ویژگی های مرتبط با الگوی فضایی مشترک (CSP) جهت طبقه بندی وظایف تصور حرکتی ارایه می کنیم. از آنجایی که فعالیت های مغزی تصور حرکتی در ناحیه خاصی از مغز قرار دارد، نحوه انتخاب کانال های مناسب برای بهبود عملکرد رابط مغز و رایانه مهم است. در این مقاله، انتخاب ویژگی تحلیل واریانس (ANOVA) و انتخاب ویژگی روبه جلو ترکیبی (SFFS) با الگوی فضایی مشترک (CSP) برای انتخاب کانال های الکترود بهینه ترکیب شده است. نتایج نشان می دهد که دقت طبقه بندهای KNN، SVM و LDA در هنگام استفاده از روش ANOVA+CSP به ترتیب 74، 72 و 71 درصد، در هنگام استفاده از روش SFFS+CSP به ترتیب 74، 73 و 68 درصد، در هنگام استفاده از CSP به تنهایی به ترتیب 65، 62 و 60 درصد، در هنگام عدم استفاده از روش های انتخاب کانال های بهینه و الگوی فضایی مشترک به ترتیب 58، 64 و 57 درصد می باشد؛ بنابراین ترکیب روش های انتخاب کانال های بهینه و الگوی فضایی مشترک باعث افزایش دقت طبقه بندها شده است.
کلید واژگان: رابط مغز و رایانه، الکتروانسفالوگرام، تصور حرکتی، الگوی فضایی مشترک، انتخاب کانالJournal of New Achievements in Electrical, Computer and Technology, Volume:3 Issue: 7, 2023, PP 54 -70The brain-computer interface system provides a communication path between the brain and the computer and has recently received increasing attention. One of the most common paradigms of brain-computer interface systems is motor imagery. The braincomputer interface system based on motor imagery using electroencephalogram signals uses a large number of channels when receiving signals. Channels not related to the intended task cause unwanted interference and increase the noise level. In this paper, we present two optimal channel selection methods to improve common spatial pattern (CSP)-related features for classification of motor imagery tasks. Since the brain activities of motor imagery are located in a specific area of the brain, how to choose the right channels is important to improve the performance of the brain-computer interface. In this paper, analysis of variance (ANOVA) feature selection and sequential forward feature selection (SFFS) combined with common spatial pattern (CSP) are used to select optimal electrode channels. The results show that the accuracy of KNN, SVM and LDA classifications when using ANOVA+CSP method is 74, 72 and 71% respectively, when using SFFS+CSP method is 74, 73 and 68% respectively, when using CSP alone, 65, 62 and 60%, respectively, when not using the methods of selecting optimal channels and common spatial pattern, it is 58, 64 and 57%, respectively; Therefore, the combination of optimal channel selection methods and common spatial pattern has increased the accuracy of the classifiers.
Keywords: brain-computer interface, electroencephalogram, motor imagery, common spatialpattern, channel selection -
سامانه ارتباط مغز و رایانه، سامانه ای است که امکان ارتباط و کنترل محیط خارج را بدون نیاز به خروجی عادی مغز به اعصاب پیرامونی و ماهیچه ها فراهم می کند. در این سامانه، فعالیت الکتریکی مغز که منعکس کننده ی قصد کاربر است به طور مستقیم اندازه گیری شده و با اعمال روش های پردازش سیگنال و شناسایی الگو، دستور کنترلی مناسب ایجاد می گردد. یکی از فعالیت های ذهنی که برای برقراری این ارتباط مورد استفاده قرار گرفته، تصورات حرکتی تعدادی از اندام های بدن می باشد. در صورتی که سامانه بتواند تصورات حرکتی مربوط به اندام های مختلف بدن را به خوبی از همدیگر تمییز دهد، آنگاه قادر خواهد بود که تصمیمات کنترلی متناظر کاربر را شناسایی نماید ودر نتیجه، کاربر می تواند با محیط خارج ارتباط برقرار کند. قسمت پردازش سیگنال و شناسایی الگو به طور عمومی شامل بخش های پیش پردازش و بهبود کیفیت سیگنال، استخراج ویژگی و دسته بندی می باشد. پالایش مکانی از اهمیت زیادی در بهبود کیفیت سیگنال برخوردار است، چرا که با استفاده از یک پالایش مکانی مناسب می توان اثر بسیاری از ارتیفکت ها و نیز فعالیت های مغزی غیرمرتبط با قصد کاربر را کاهش داد. روشی که برای این منظور بیشترین کاربرد را در تحقیقات داشته است، پالایش لاپلاسین سطح می باشد. در این مقاله، هدف این است که با حل مسیله جداسازی کور منابع برای سیگنال های مغزی، روش های پردازشی ایجاد شده را روی منابع مرتبط با تصورات حرکتی، متمرکز نماییم. بدین منظور از تحلیل مولفه های مستقل استفاده شده است و نتایج دسته بندی نشان داده است که این روش، از کارایی بالاتری نسبت به پالایش لاپلاسین سطح برخوردار است.کلید واژگان: ارتباط مغز و رایانه، تصور حرکتی، تحلیل مولفه های مستقل، هم زمانی و ناهم زمانی وابسته یه رویدادA Brain-Computer Interface (BCI) is a system that enables communication and control without using brain normal output pathways to peripheral nerves and muscles. A BCI directly measures brain activity associated with the user’s intent and translates the recorded brain activity into suitable control signals using signal processing and pattern recognition methods. Motor imagination of different body parts is one of the activities used in BCI. The system can understand the user's intention when it can distinguish him/her from different motor imaginations. Signal processing and pattern recognition and partitioning consist of preprocessing and signal quality enhancement, feature extraction, and classification. Spatial filtering has great importance in signal quality enhancement since it can reduce artifacts and irrelevant brain activities. Surface Laplacian filtering is one popular technique for spatial filtering. This paper is devoted to concentrating the processing part on brain sources related to motor imagination by blind source separation. Independent component analysis is employed for blind source separation, and implementations on datasets show the efficiency of the proposed method.Keywords: Brain Computer Interface, Motor Imagination, Independent component analysis, Event Related Desynchronization, Synchronization
-
Scientia Iranica, Volume:29 Issue: 3, May & Jun 2022, PP 1486 -1505We introduce a novel Regularized Kernel Projection Pursuit Regression method which is a two-step nonlinearity encoding algorithm tailored for such very low dimensional problems as fatigue detection. This way, the data nonlinearity can be investigated from two different perspectives, first by transforming the data into a high dimensional intermediate space and then by using their spline estimations to the output variables which allows for a hierarchical unfolding of data. Experimental results on the SEED database shows an average RMSE value of 0.1080% and 0.1054% respectively for the temporal and posterior areas of the brain. Our method is also validated by conducting some experiments on Parkinson's disease prediction which further demonstrate the efficiency of our method for low-dimensional regression problems.Traditional off-the-shelf regression methods like SVR, KSVR, and GLM methods all require their link functions to be previously selected which limits their effectiveness for encoding the nonlinearity of a highly complex low dimensional data set. Moreover, conventional PPR does not deal with the very low dimensionality of data. This paper proposes a novel regression algorithm to address the encoding problem of a highly complex low dimensional data, which is usually encountered in bio-neurological prediction tasks like EEG based driving fatigue detection.Keywords: Brain Computer Interface, Electroencephalography, Fatigue Detection, Projection Pursuit Regression
-
درک صحبت های افراد بدون نیاز به بیان و تنها با استفاده از رمزگشایی سیگنالهای مغزی در هنگام تصور گفتار، یکی از بروزترین تحقیقات در زمینه هوش مصنوعی می باشد. سومین مسابقه ملی واسط مغز و رایانه که توسط مرکز ملی نقشه برداری مغز ایران در سال 1399 برگزار گردید به دسته بندی تصور گفتار برای سه کلمه سنگ، کاغذ و قیچی اختصاص یافت. در این مسابقه نویسندگان این مقاله با استفاده از تجزیه بسته های موجک و الگوی مکانی مشترک و بکارگیری دسته بندهای مختلف توانستند مقام دوم را کسب نمایند. دسته بندهای ماشین بردار پشتیبان، k-نزدیک ترین همسایه، جنگل تصادفی، رگرسیون لجستیک ، XGBoost و مدل یادگیری عمیق Dense را بصورت جداگانه برای هر فرد و همچنین بصورت همزمان برای تمامی افراد ارزیابی نمودیم و بهترین دقت میانگین 7/51% حاصل شد. در ادامه این مدل را با استفاده از روش اسپکتروگرام و شبکه عصبی کانولوشنی توسعه دادیم و توانستیم به دقت میانگین 5/76% دست یابیم. این دقت از بهترین دقت گزارش شده بر روی این مجموعه داده بسیار بهتر بوده است. همچنین عملکرد این مدل در مقایسه با پژوهش های اخیر در این زمینه بر روی مجموعه داده های مختلف، برتری دارد.
کلید واژگان: تصور گفتار، صحبت ذهنی، سیگنال های مغزی، واسط مغز-رایانه، EEGRecognition of silent speech only by decoding brain signals is one of the latest research in the field of artificial intelligence. The 3rd Iranian national brain-computer interface competition, which was held by the National Brain Mapping Center of Iran in 2020, was dedicated to the classification of imagined speech for the three words of rock-paper-scissors game. In this contest, the authors introduced an approach based on wavelet packets decomposition and common spatial pattern and could win the second place. We evaluated some of the most famous classifiers including support vector machine, k-nearest neighbor, random forest, logistic regression, XGBoost and dense deep learning model separately for each subject and simultaneously for all subjects. The best average accuracy was 51.7%. Then we developed the model using spectrogram and convolutional neural network and achieved average accuracy of 76.5%. The accuracy was much better than the accuracy reported by other researchers on this dataset. Also, the performance of our model is superior to recent research in this field on different datasets.
Keywords: Speech imagination, Mental speech, Brain signals, Brain-computer interface, EEG -
در این پژوهش، یک رابط مغز-رایانه در کاربرد مکالمه خاموش برای شناسایی و تفکیک بین دو واژه پیاده سازی شده است. در طی آزمایش، بر اساس یک زمان بندی مشخص، افراد یکی از دو واژه یا سکوت را که به صورت تصادفی انتخاب شده است، بدون آن که برزبان آورند؛ در ذهن خود تکرار می کنند و سیگنال های مغزی آنان توسط یک دستگاه ثبت EEG آزمایشگاهی چهارده کاناله ثبت می شود. پس از پیش پردازش و حذف داده های مخدوش، ویژگی های مناسب از این سیگنال ها استخراج و برای شناسایی به یک رده بند داده می شود. دو ترکیب برای استخراج ویژگی و رده بندی انتخاب و بررسی شدند: استخراج ضرایب ویولت همراه با رده بند SVM و ویژگی حاصل از تحلیل مولفه های اساسی همراه با رده بند کمینه فاصله که ترکیب نخست عملکرد بهتری از خود نشان داد. تعداد کل رده ها در این آزمایش سه عدد بوده که شامل دو واژه منتخب و سکوت می باشد. نتایج حاصل، نشان دهنده امکان تفکیک واژگان با دقت متوسط 8/56 درصد (بیش از 7/1 برابر نرخ تصادف) است که در سازگاری با نتایج گزارش شده در فعالیت های مشابه است؛ اما هنوز دقت کافی برای کاربردهای واقعی ندارد.
کلید واژگان: مکالمه خاموش، رابط مغز-رایانه، تصور گفتار، سیگنالهای مغزیIn this study, a Brain-Computer Interface (BCI) in Silent-Talk application was implemented. The goal was an electroencephalograph (EEG) classifier for three different classes including two imagined words (Man and Red) and the silence. During the experiment, subjects were requested to silently repeat one of the two words or do nothing in a pre-selected random order. EEG signals were recorded by a 14 channel EMOTIV wireless headset. Two combinations of features and classifiers were used: Discrete Wavelet Transform (DWT) features with Support Vector Machine (SVM) classifier and Principle Component Analysis (PCA) features with a Minimum-Distance classifier. Both combinations were capable of discriminating between the three classes much better than the chance level (33.3%), none of them was reliable and accurate enough for a real application though. The first method (DWT+SVM) showed better results. In this case, feature set was D2, D3, D4 and A4 coefficients of 4-level DWT decomposition of the EEG signals, roughly corresponding to major frequency bands (Delta, Theta, Alpha and Beta) of these signals. Three binary SVM machines were used. Each machine was trained to classify between two of the three classes, namely Man/Red, Man/Silence or Red/Silence. Majority Selection Rule was used to determine final class. Once two of these classifiers presented the true class, a win (correct classification) was counted, otherwise a loss (false classification) was considered. Finally, Monte-Carlo Cross Validation showed an overall performance of about 56.8% correct classification which is comparable with the results reported for similar experiments.
Keywords: Silent Talk, Imagined Speech, EEG signals, Classification, Brain-Computer interface -
روش تحلیل همبستگی متعارف (CCA)، یکی از پرکاربردترین روش های بازشناسی فرکانس در سیستم های واسط مغز-کامپیوتر مبتنی بر پتانسیل برانگیخته بینایی حالت ماندگار (SSVEP) است. اگرچه روش CCA در اغلب موارد با نتایج خوبی همراه است، اما اگر میان فرکانس های تحریک رابطه هارمونیک برقرار باشد، این روش با چالش مواجه خواهد شد. در این مقاله، روش CCA بهبود یافته پیشنهاد شده است که با اضافه نمودن یک مرحله ی پس پردازش در روش CCA، این چالش را تا حدودی رفع می نماید. بدین منظور، تحریک بینایی در محدوده 6 تا 16 با گام فرکانسی 5/0 هرتز با استفاده از جعبه ابزار psychophysics متلب ایجاد گردید. ثبت سیگنال SSVEP از ده سوژه و تنها از الکترود Oz انجام شد. طبق روش پیشنهادی، پس از اعمال CCA و تعیین فرکانس متناظر با بیشینه همبستگی، اختلاف میزان همبستگی حاصل از این فرکانس و همبستگی حاصل از هارمونیک متناظر، محاسبه می گردد. سپس با مقایسه مقدار بدست آمده با مقدار آستانه، بازشناسی فرکانس صورت می پذیرد. مقدار آستانه بر اساس داده های هر سوژه به صورت آفلاین تعیین می شود. میانگین صحت بازشناسی روش CCA استاندارد با انتخاب دو هارمونیک در ایجاد سیگنال مرجع(2=N)، به ازای پنجره زمانی هشت ثانیه ، %74 بوده که با روش پیشنهادی به %81 رسید. به طور متناظر، به ازای پنجره زمانی چهار ثانیه نیز صحت از %78 به %83 افزایش یافت. روش پیشنهادی با کاهش خطای بازشناسی هارمونیک توانسته است برای گستره وسیع فرکانسی، صحت بازشناسی را نسبت به روش CCA استاندارد بهبود بخشد.
کلید واژگان: واسط مغز-کامپیوتر، پتانسیل برانگیخته بینایی حالت ماندگار، تحلیل همبستگی متعارفThe canonical correlation analysis (CCA) is one of the most widely used frequency recognition methods in steady-state visual evoked potential (SSVEP)-based brain computer interface systems. Although the CCA is often associated with good results, but if stimulation frequencies have harmonic relation, this issue will challenge this method. In this paper, the modified CCA method has been proposed that can solve this problem by adding a post-processing step in the standard CCA. For this purpose, visual stimulus ranged from 6-16 Hz with an interval of 0.5 have been generated using Matlab and the psychophysics toolbox. The SSVEP signal was recorded from ten subjects via one electrode placed at Oz. According to the proposed method, after applying CCA and determining the frequency corresponding to the maximum correlation, the difference between the correlation associated to this frequency and the correlation of the corresponding harmonic frequency is calculated. Then, the frequency is recognized by comparing the obtained value with the threshold. The threshold is determined based on the data of each subject during the offline analysis. For eight-second time window, the average recognition accuracy of the standard CCA with choosing two harmonics in constructing the reference signal (N=2) was 74%, while the corresponding value of the proposed method was 81%. Correspondingly, the accuracy was increased from 78% to 83% for four-second time window. For wide frequency range, the proposed method has been able to improve the frequency recognition accuracy compared with the standard CCA, by reducing harmonic recognition error.
Keywords: Brain-computer Interface, Steady-state Visual Evoked Potential, Canonical Correlation Analysis -
Journal of Artificial Intelligence in Electrical Engineering, Volume:7 Issue: 26, Summer 2018, PP 25 -33User interfaces are always one of the most important applied and study fields of information technology. The development and expansion of cognitive science studies and functionalization of its tools such as BCI1, as well as popularization of methods such as SSVEP2 to stimulate brain waves, have led to using these techniques every day, especially in appropriate solutions for physically and mentally handicapped people. Computer- brain interfaces enable users to communicate without involvement of their lateral muscles and nerves and since these interfaces are not dependent on muscular nervous control, they enable people with muscle neuromuscular control disorders (such as amyotrophic lateral sclerosis, brain stroke, cerebral palsy, etc.) to control and communicate. The main idea in this research is the implementation of a proposed system to provide the best options to the user due to the limitations of the simultaneous options in the SSVEP method and the specific user conditions for disabled people. To do this, we present a new implementation method based on extracting the wavelet feature and then dimension reduction by PCA3 and after the extraction step, the features are classified by the SVM4 and KNN5 classifiers. It has been observed in this project that99.3% accuracy can be achieved by KNN classifier.Keywords: Electroencephalography, Evoked visual Potential, User Interface, Brain-Computer interface
-
در این مقاله به ارائه روشی دومرحله ای برای بهبود دقت طبقه بندی سیگنال EEG می پردازیم. هدف اصلی این مقاله، بهبود طبقه بندی تصورات حرکتی نشات گرفته از سیگنال مغز است. در این راستا یک طبقه بند ترکیبی مبتنی بر قوانین جبر بول و الگوریتم ژنتیک ارائه شده است که برای استخراج ویژگی از سیگنال EEG، از ویژگی های حوزه زمان-فرکانس استفاده می کند که شامل شاخص های آماری و غیرآماری به دست آمده از تبدیل بسته موجک است. در این مقاله برای بهبود نتایج طبقه بندی، در مرحله اول یک مجموعه از درخت های تصمیم با خطاهای متفاوت ایجاد می شوند سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک این درخت ها هرس شده و ارتفاع آن ها کاهش می یابد و ویژگی های استخراج شده به طبقه بند درخت تصمیم به عنوان طبقه بند پایه داده می شود. در مرحله دوم با استفاده از الگوریتم ژنتیک قاعده ترکیب بهینه برای ترکیب نتایج طبقه بندها به دست می آید. قاعده ترکیب بر اساس قوانین جبر بول ارائه شده است. برای داده های موردنیاز از نسخه دوم مجموعه داده های BCI Competition و مجموعه داده سوم استفاده شده است. نتایج پیاده سازی روش پیشنهادی دقت 96.43% را به همراه داشته است که به نسبت روش های موجود در طبقه بندی سیگنال EEG، 6.43% عملکرد بهتری را داشته است.کلید واژگان: رابط مغز و کامپیوتر، ترکیب طبقه بندها، جبر بول، الگوریتم ژنتیک، تبدیل موجکIn this paper we present a two-step method to improve classification accuracy of EEG signal. The main objective of this paper is to improve the classification of motor imagery derived from brain signals. In this regard a hybrid classifier based on Boolean rules and genetic algorithm is presented that uses the features of time-frequency domains for feature extraction of EEG signal which contains statistical and non-statistical indicators obtained from the wavelet packet transform. In this paper in order to improve the classification results, in the first step a set of classifiers with different errors is created. At this point the extracted features are given to the decision tree classifier as base classifier. In the second step using genetic algorithms, optimal combination rule to combine the results of the classifiers is obtained. Combination rule is proposed according to the Boolean rules. For required data, third data set from second version of BCI competition data sets is used. Implementation results of the proposed method have shown accuracy of 96.43% which compared to the existing methods in EEG signal classification, have 6.43% better performance.Keywords: Brain-computer interface, classifiers combination, boolean algebra, genetic algorithm, Wavelet transform
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.