مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه دسته بندی سیگنال های مغزی

با کشف سیگنال های EEG بسیاری از محققین در سراسر دنیا شروع به فعالیت در این زمینه کردند. مجموعه داده های متفاوت و با کاربردهای متفاوتی ایجاد شد. اکثر این محققین در تلاش به رسیدن به طراحی سیستم واسط مغز و کامپیوتر(BCI) بودند. در شکل) 1-1 ( یک سیستم BCI نشان داده شده است. این سیستم از سه بخش اصلی پیش پردازش ، استخراج ویژگی و دسته بندی تشکیل شده است. محققین مشغول به تلاش برای بهبود در هر یک از سه بخش اصلی شدند. در این فصل ابتدا مجموعه داده های استاندارد موجود را معرفی می کنیم. در بخش های دیگر نیز به بررسی روش های مختلف استخراج ویژگی ، کاهش ویژگی و روش های مختلف دسته بندی می پردازیم . لازم به ذکر است که قسمت پیش پردازش و حذف نویز را در فصل پیش توضیح دادیم
3-2- معرفی داده های موجود
3-2-1- مشخصات داده هاي ثبت شده توسط گروه دانشگاهColorado
اولین گروه از داده ها متعلق به گروه Aunon و Keirn دانشگاه Colorado است[4]. این داده ها مطابق استاندارد 20-10 از کانالهای C3، C4، P3، P4، O1 و O2 همراه با یک کانال EOG ثبت شده است. هر سری از داده ها به مدت 10 ثانیه و با نرخ نمونه برداری 250 هرتز ثبت شده است. این داده ها مجموعه ماتریسی به ابعاد 7*2500 را تشکیل می دهند. ثبت کانال های EEG نسبت به کانالهای مرجع A1 و A2 ، که به استخوان های پشت دو گوش متصل شده و از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل بودند، انجام شده است. از فیلترهای آنالوگ Grass7P511 که فیلترهایی میان گذر با باند عبور بین 1/0 تا 100 هرتز است، استفاده شده است. این داده ها از 7 نفر ثبت شده است. نفر اول چپ دست با 48 سال سن و نفر دوم راست دست با 39 سال سن می باشد. این دو نفر از کارمندان دانشگاه بوده اند و نفر سوم تا هفتم همگی راست دست و از میان دانشجویانی با سنین بین 20 تا 30 سال بوده اند. همه افراد مرد بوده اند فقط نفر پنجم زن بوده است.
از هر شخص در يك جلسه ٥ بار و هر بار از ٥ فعاليت ذهني سيگنال ثبت شده است. ٥ ثبت ديگر هم در روز ديگر انجام شده است، بجز افراد دوم و هفتم كه تنها در يك جلسه ثبت سيگنال شركت نموده اند. از سوي ديگر نفر پنجم در يك جلسه سوم نيز شرکت نموده است. كليه ثبت هاي انجام شده، يكبار با چشمان باز و بار ديگر با چشمان بسته صورت گرفته است.Aunon و Keirn ، سعي در انتخاب فعاليت هاي ذهني نموده اند، كه نواحي نسبتا معيني از مغز را درگير كنند و يا ميزان فعاليت دو نيم كرة مغزي در حين انجام آنها متفاوت باشد. اين پنج فعاليت ذهني عبارتند از: 1- حالت استراحت 2- عمل ضرب ذهنی 3- دوران ذهنی یک شی هندسی 4- نامه نامه نگاری ذهنی 5- شمارش ذهنی همراه با تصویر چشمی .
3-2-2- مشخصات داد ه هاي ثبت شده توسط گروه Graz
یکی دیگر از مجموعه داده استاندارد که محققین بر روی آنها کار می کنند، توسط گروه دانشگاه Graz ثبت شده است[7-11]. این داده ها از سه نفر زن راست دست که سنشان بین 20 تا 27 سال است، ثبت شده است. در ابتدای هر آزمایش در لحظه صفر یک علامت (+) در وسط مانیتور و روبروی فرد ظاهر می گردد. دو ثانیه بعد صدای زنگ هشدار دهنده به صدا در می آید. یک ثانیه بعد علامت فلش که به سمت راست یا چپ مانیتور اشاره می کنند ظاهر می شود. این علامت به مدت 1/25 ثانیه بر روی مانیتور وجود دارد. از آن زمان به بعد شخص بر اساس جهت فلش ، مشغول به تصور حرکت یکی از دو دست راست و چپ می شود. از آن پس عمل نشان دادن فلش جهت دار با فواصل زماني بين ٩ تا ١١ ثانيه تكرار مي شود و فرد مورد آزمايش ، تصور حركت دست مربوطه را انجام مي دهد.
این سیگنال ها از 56 الکترود که بر روی سر با فواصل تقریبی 2/5 سانتیمتر و نسبت به مرجع پتانسیل گوش راست قرار دارند ثبت شده است. سیگنال ثبت شده از یک فیلتر میان گذر با باند عبور 0/5 تا 50 هرتز عبور داده شده است. عمل نمونه برداری با نرخ 128 هرتز انجام گرفته است. کانال EOG هم بصورت دو قطبی بین دو الکترود ، که در بالا و پایین چشم راست قرار داشت ثبت شده است. جهت اطمینان از عدم وجود سیگنال EMG این سیگنال نیز در طی آزمایش از روی ساعد دو دست راست و چپ نیز ثبت شده است.
بدین ترتیب هر مرتبه ثبت سیگنال شامل 8 ثانیه است. که فاصله زمانی 0- 4 ثانیه مربوط به آماده سازی فرد و 4-8 ثانیه نیز حاوی سیگنال تصور حرکت دست است. همه داده ها برای اطمینان از عدم وجود Artifact و یا پتانسیل حرکتی به طور جداگانه بررسی شدند. بدین ترتیب در مجموع 149 سیگنال از نفر اول ثبت شد(75 مرتبه دست راست و 74 مرتبه دست چپ) از نفر دوم 142 سیگنال (67 مرتبه دست راست و 75 مرتبه دست چپ). از نفر سوم نیز 115 سیگنال (56 مرتبه دست راست و 59 مرتبه دست چپ). داده-های ثبت شده توسط این گروه به علت پیش پردازش آماده به کار بودند ولی داده های مربوط به گروه Colorado برای قابل استفاده شدند نیاز به پیش پردازش های دارند.
3-2-3- مشخصات داده های MIT-BIH
یکی دیگر از مجموعه داده ها استاندارد مربوط به داده های مراحل خواب است. داده های MIT-BIH شامل 8 مجموعه می باشد. 4 مجموعه آن شامل حدود 24 ساعت ثبت سیگنال و 4 مجموعه دیگر شامل حدود 12 ساعت ثبت سیگنال می باشد. سیگنال های موجود در 4 مجموعه شامل 2 ثبت سیگنال EEG که از کانال های Fpz-Cz و Pz-Oz ، سیگنال EOG و سیگنال EMG می باشد. این سیگنال ها از مردها و زن هایی با محدوده سنی 21 تا 35 سال ثبت شده است. این داده ها با نرخ 100 هرتز نمونه برداری شده اند. فیلتر های پایین گذر با فرکانس قطع 100 هرتز و فیلتر بالاگذر با فرکانس قطع 0/5 هرتز را، بر روی این سیگنال ها عبور داده اند. برای هر یک از مجموعه ها 10 ساعت از سیگنال ثبتی شامل کل زمان خواب و دقایقی از بیداری قبل و بعد از خواب انتخاب شده است. با توجه به اینکه هر 30 ثانیه یک epoch در نظر گرفته می شود، این 10 ساعت در هر مجموعه شامل 1200 epoch می شود که توسط افراد متخصص ارزیابی می شود. مراحل خواب در این داده ها شامل Awake و1 و 2 و 3و4 وREM و MT است[29]