انتخاب یک فضای ویژگی بهینه در تفکیک فعالیت‌های ذهنی بر پایه‌ی الگوریتم EMD

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی برق، دانشکده‌ی فنی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق، دانشکده‌ی فنی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

چکیده

مقدمه: طراحی سیستم‌های ارتباط مغز با رایانه (Brain computer interface یا BCI)، از دغدغه‌های بشر امروز به شمار می‌رود. این سیستم‌ها بر اساس سیگنال مغز عمل می‌کنند و تاکنون تحقیقات زیادی در این راستا انجام شده است. مرسوم‌ترین آن‌ها، سیستم‌های بر پایه‌ی سیگنال‌های مغزی مربوط به فعالیت‌های ذهنی می‌باشد. در طراحی سیستم‌های BCI بر پایه‌ی فعالیت‌های ذهنی، انتخاب یک فضای ویژگی با قدرت تفکیک بالاتر و زمان پردازش کمتر، امری مهم به شمار می‌رود. در این مطالعه، سیگنال‌های مغزی مربوط به فعالیت‌های ذهنی گروه  Andersonکه جزء دادگان معروف و در دسترس این گونه سیستم‌ها می‌باشد، استفاده شده است.روش‌ها: این مطالعه به بررسی و اعمال الگوریتم جدید EMD (Empirical mode decomposition) با توجه به خصوصیات منطبق آن بر سیگنال EEG (Electroencephalography) در کنار روش‌های مرسوم و موفقی چون طیف AR و آنتروپی پرداخت.یافته‌ها: الگوریتم EMD به طور کامل با خواص غیرخطی و غیرایستان سیگنال‌های EEG سازگار بود. لذا به کار بردن مفاهیم آنتروپی، برای مدل کردن مقادیر پیچیدگی، و طیف AR، به عنوان تابعی معنی‌دار در حوزه‌ی فرکانس، در ادامه‌ی الگوریتم EMD انتظار تفکیک خوبی را به وجود آورد.نتیجه‌گیری: اعمال الگوریتم EMD و تمهیدات موازی با آن (آنتروپی EMD) نسبت به روش‌های قبل، علاوه بر دارا بودن بُعد بسیار کمتر بردار ویژگی، به زمانی کمتر از 2 ثانیه برای استخراج ویژگی و حداکثر زمانی برابر با 1/0 ثانیه، برای تفکیک سیگنال‌های 10 ثانیه‌ای نیاز دارند. این نتایج برای یک سیستم BCI، Real-time بسیار مفید می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Selection of an Optimal Feature Space for Separating Mental Tasks based on the EMD Algorithm

نویسندگان [English]

  • Vahid Abootalebi 1
  • Mohmmad Taghi Sadeghi 1
  • Somayeh Noshadi 2
1 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, School of Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
2 Department of Electrical Engineering, School of Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده [English]

Background: Designing brain-computer interface (BCI) systems is one of the concerns of people today. These systems operate by brain signals and so far, much research has been done in this regard. The most conventional systems are based on mental task signals. In the design of BCI systems based on mental activity, selecting a feature space with higher resolution and less processing time is important. In this study, Anderson mental task signals, a known and available database in such systems, were used.Methods: According to the nonlinear and non-stationary properties of electroencephalogram (EEG) signals, this study tried to review and analyze new empirical mode decomposition (EMD) algorithms, as well as conventional and successful methods such as autoregressive (AR) spectrum and entropy, for discrimination of mental task signals.Findings: EMD algorithm is compatible with nonlinear and non-stationary properties of EEG signals. Therefore, using an EMD algorithm along with the concept of entropy for modeling complexity values and AR spectrum, as a significant function in the frequency domain would provide great discrimination. Conclusion: Application of EMD algorithm and its parallel schemes (EMD entropy) would result in a feature vector with less dimensions requiring less than 2 seconds to extract features. Thus, such combination would require a maximum of 0.1 seconds to separate 10-second signals which can be beneficial in real-time BCI systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Entropy
  • Brain-computer interface
  • Empirical mode decomposition
  • Electroencephalogram
  • Mental task
  1. Keirn ZA, Aunon JI. A new mode of communication between man and his surroundings. IEEE Trans Biomed Eng 1990; 37(12): 1209-14.
  2. Huang NE, Shen Z, Long SR, Wu MC, Shih HH, Zheng Q, et al. The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis. Proc R Soc 1988; 454(1971): 903-95.
  3. Rehman N, Mandic DP. Empirical mode decomposition for trivariate signals. IEEE Transactions on Signal Processing 2010; 58(3): 1059-68.
  4. Tanaka T, Mandic DP. Complex empirical mode decomposition. IEEE Transactions on Signal Processing 2007; 14(2): 101-4.
  5. Anderson CW, Sijercic Z. Classification of EEG signals from four subjects during five mental tasks, solving engineering problems with neural networks. Proceedings of the Conference on Engineering Applications in Neural Networks; 1996; Turku, Finland. p. 407-14.
  6. Mamashli F, Moti-Nasrabadi A, Shobeihi Sh. Mental Task classification based on entropy, spectral entropy and mutual information. Proceedings of the 3rd International Biomedical Engineering Conference (CIBEC). 2006 Dec 21-24; Cairo, Egypt.
  7. Yu Y, Dejie Y, Junsheng C. A roller bearing fault diagnosis method based on EMD energy entropy and ANN. Journal of Sound and Vibration 2006; 294(1-2): 269-77.
  8. Rutkowski TM. Emd approach to multichannel eeg data - the amplitude and phase components clustering analysis. JCSC 2010; 19(1): 215-29.
  9. Anderson CW, Stolz EA, Shamsunder S. Multivariate autoregressive models for classification of spontaneous electroencephalographic signals during mental tasks. IEEE Trans Biomed Eng 1998; 45(3): 277-86.
  10. Palaniappan R. Utilizing gamma band to improve mental task based brain-computer interface design. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2006; 14(3): 299-303.