Developing and further improving a whole-word communication brain-computer interface based on hemodynamic signals
Hemodinamik sinyallere dayanan tam kelime iletişimli bir beyin-bilgisayar arayüzünün geliştirilmesi ve iyileştirilmesi
- Tez No: 934835
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BETTİNA SORGER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Psikoloji, Science and Technology, Psychology
- Anahtar Kelimeler: ileri düzey motor engellilik, iletişim amaçlı BBA, fMRG, fNIRS, tam kelime kodlama, severe motor disability, communication BCI, fMRI, fNIRS, whole-word encoding
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Universiteit Maastricht
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Sinirbilimler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sinirbilim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 51
Özet
İletişim, bireylerin kendilerini ifade etmelerinin ve anlamlı ilişkiler kurmalarının anahtarıdır. Ancak motor felci nedeniyle iletişim yeteneği ciddi şekilde bozulabilir. Örneğin 'locked-in' sendromu olan hastalar, bilinçleri sağlam olmasına rağmen doğal yollarla iletişim kuramazlar. Beyin-bilgisayar arayüzleri (BBA), hastaların bir bilgisayar aracılığıyla yalnızca beyin aktivitelerini kullanarak iletişim kurmasına olanak tanıyan alternatif araçlardır. Bu tez, gerçek zamanlı fonksiyonel manyetik rezonans görüntülemeye (fMRG) dayanan yeni bir tam kelime iletişimli beyin-bilgisayar arayüzünün geliştirilmesine ve daha da iyileştirilmesine odaklanmaktadır. Bu çalışmada, yeni ikili arama paradigmamızın yüksek sınıflandırma doğruluğu ile tam kelimeleri çözmede çok başarılı olduğunu göstermiş bulunmaktayız. Çalışma 11 sağlıklı katılımcıyla 3 Tesla fMRI kullanılarak gerçekleştirildi. Yeni ikili arama paradigmamız, katılımcıların bir kelimenin tamamını kodlamak için iki zihinsel imgeleme görevi (zihinsel çizim, ZÇ; zihinsel konuşma, ZK) gerçekleştirmesini gerektiriyordu. Katılımcılar, İngilizce bir sözlüğün orta kelimesinden başlayarak, hedef kelimenin ortadaki kelimeden alfabetik olarak önce mi (ZK) yoksa sonra mı (ZÇ) olduğunu belirttiler. Bu adımlar yalnızca hedef kelime kalana kadar tekrarlandı. Doğrusal bir destek vektör makinesi eğitildi ve denemeler, çoklu voksel örüntü sınıflandırma analizi kullanılarak gerçek zamanlı olarak sınıflandırıldı. Veriler ayrıca sonuçları tekrarlamak ve doğrulamak için çevrimdışı olarak da analiz edildi. Ayrıca paradigmamızı detaylı araştırmak ve daha da geliştirmek için alternatif uzamsal ve zamansal özellikler test edildi. Çevrimiçi analiz, on bir hedef kelimeden dokuzunun gerçek zamanlı olarak doğru bir şekilde (% 81,8) çözüldüğünü göstermiştir. Ayrıca, çevrimdışı analiz, başlangıçta seçilen ve çevrimiçi analizde kullanılan uzamsal ve zamansal özelliklerin alternatiflere kıyasla en yüksek kod çözme doğruluğu ile sonuçlandığını göstermiştir. Bu tez, fMRG tabanlı iletişimin, yeni ikili arama paradigmamızı kullanarak tam kelimeleri kodlamak için uygun olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, yöntemimizle elde edilen yüksek kod çözme doğruluğu, paradigmanın hasta popülasyonları için de daha da iyileştirilmesi açısından oldukça ümit vericidir. Mevcut paradigmalar bir mesajın harf harf iletilmesi üzerine kurulu olduğundan bizim paradigmamız BBA'lara yeni bir katkı olacaktır. Paradigmamızı fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopiye (fNIRS) dayalı bir mobil BBA'ya uyarlama potansiyeli de dahil olmak üzere, bulgularımızın gelecekteki etkileri tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Communication is key for individuals to express themselves and form meaningful relationships. However, the ability to communicate could be severely impaired due to motor paralysis. Patients with the 'locked-in' syndrome, for instance, cannot communicate naturally despite their consciousness being intact. Brain-computer interfaces (BCI) are alternative tools allowing the patients to communicate using only their brain activity via a computer. This thesis focuses on developing and further improving a novel whole-word communication brain-computer interface based on real-time functional MRI. Here we demonstrate the success of our novel binary search paradigm was very successful in decoding whole-words with high classification accuracy. The study was conducted with 11 healthy participants using a 3-Tesla fMRI. Our novel binary search paradigm required the participants to perform two mental imagery tasks (mental drawing, MD; mental talking, MT) to encode a whole-word. Starting from the middle word of an English dictionary, they indicated whether the target word was situated before (MT) or after (MD) the middle word alphabetically. These steps were repeated until only the target word remained. A linear support vector machine (SVM) was trained, and the trials were classified in real-time using a multi-voxel pattern classification (MVPC) analysis. The data were also analyzed offline to replicate and validate the results. Moreover, alternative spatial and temporal features were tested to investigate and further improve our paradigm. The online analysis showed that nine of the eleven target words were decoded accurately (81.8%) in real-time. Moreover, the offline analysis indicated that the initially selected spatial and temporal features used in the online analysis resulted in the highest decoding accuracies compared to the alternatives. This thesis showed that fMRI-based communication was feasible to encode whole-words using our novel binary search paradigm. Therefore, the high decoding accuracy obtained with our method is very promising to improve the paradigm further for the patient populations as well. This would be a new addition to the BCIs since the existing paradigms are based on conveying a message letter-by-letter. Future implications of our findings were discussed, including the potential to adapt our paradigm to a mobile BCI based on functional near-infrared spectroscopy (fNIRS).
Benzer Tezler
- The significance and the contribution of 6+1 traits of writing to the success of the students in writing courses in English language teaching
Yazmanın 6+1 özelliğinin İngilizce öğretiminde yazılı anlatım derslerindeki öğrenci başarısına katkısı ve önemi
ÖZLEM YAZAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Eğitim ve ÖğretimGazi Üniversitesiİngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. PAŞA TEVFİK CEPHE
- Toplam kalite yönetimi, kalite güvencesi sistemleri ve Türkiye'deki uygulamaları
Total quality management, quality assurance systems and their applications in Turkey
AHMET BEŞKESE
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ATAÇ SOYSAL
- PC ler arasında veri iletişimini sağlayan bir yazılım
A Software about data communication between PCs
OSMAN NURİ ÖZPINAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ. DR. MİTHAT UYSAL
- Performans yönetim sistemi ve veri zarflama analizi'nin sağlık sektöründe uygulanması
Performance management systems and application of data envelopment analysis in healt care organizations
F.BUKET BESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. FÜSUN ÜLENGİN
- The effects of using blogs on the development of foreign language writing proficiency
Yabanci dilde yazma yeterliğini geliştirmede bloglar kullanımının etkileri
ELHAM KAVANDI
Doktora
İngilizce
2012
Eğitim ve ÖğretimGazi Üniversitesiİngilizce Öğretmenliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLVAHİT ÇAKIR