Representation learning schemes of multichannel encephalographic signals for Brain Computer Interfaces
Authors: Γεωργιάδης Κωνσταντίνος 
Published: November 2021

Οι Διεπαφές Εγκεφάλου Υπολογιστή (ΔΕΥ) προσφέρουν εναλλακτικά «κανάλια» επικοινωνίας μεταξύ του ανθρώπινου εγκεφάλου και μίας ηλεκτρονικής συσκευής. Η αποκωδικοποίηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας και η μετατροπή της σε εντολές μηχανής ολοκληρώνει ένα κλειστό σύστημα, το οποίο μπορεί να λειτουργήσει χωρίς φυσική αλληλεπίδραση. Ο Berger ήταν ο πρώτος που διατύπωσε τη θεωρία της «ανάγνωσης του μυαλού», αλλά η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος ΔΕΥ κατέστη δυνατή μόνο τα τελευταία χρόνια. Λόγω του σχεδιασμού τους, οι ΔΕΥ θεωρούνται ιδανικά συστήματα υποστήριξης ατόμων που πάσχουν από κινητική αναπηρία και ως εκ τούτου λαμβάνουν συνεχώς αυξανόμενη προσοχή. Η υλοποίηση μίας ΔΕΥ μπορεί να γίνει μέσω διαφορετικών προσεγγίσεων, ωστόσο το Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) θεωρείται η πιο δημοφιλής επιλογή. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω του μη επεμβατικού χαρακτήρα του ΗΕΓ ενώ συνεπικουρικά στοιχεία είναι το χαμηλό κόστος, η εύκολη προσάρτηση και η εύκολη ενσωμάτωσή του στην καθημερινότητα των χρηστών. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν δύο διαφορετικού τύπου ΔΕΥ τα οποία βασίζονται σε μετρήσεις ΗΕΓ και πιο συγκεκριμένα στην κατηγορία διεπαφών μέσω Προκλητών Δυναμικών Σταθερής Κατάστασης (Steady State Visual Evoked Potentials; SSVEP) και σε αυτή που σχετίζεται με τη Νοερή Κίνηση (Motor Imagery; MI) των άκρων. Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση πρωτοκόλλων ανάλυσης σημάτων ΗΕΓ μέσω των οποίων θα γίνεται η αποκωδικοποίηση των προθέσεων/επιλογών των χρηστών. Οι υλοποιήσεις θα πρέπει να χαρακτηρίζονται από γρήγορες και εύρωστες αποκρίσεις, χαρακτηριστικά τα οποία κρίνονται ζωτικής σημασίας για οποιαδήποτε υλοποίηση ΔΕΥ. Υπό αυτό το πρίσμα η πρώτη κατηγορία που εξετάσθηκε ήταν αυτή των Προκλητών Δυναμικών Σταθερής Κατάστασης, με στόχο τη δημιουργία ενός καινοφανούς συστήματος αποκρυπτογράφησης. Το συγκεκριμένο σύστημα βασίστηκε στις έννοιες του διακριτού κβαντισμού διανυσμάτων αλλά και της κατηγοριοποίησης μέσω του κανόνα πλησιέστερου προτύπου. Το παραπάνω σύστημα σχεδιάστηκε με στόχο την αποφυγή ψευδώς θετικών αποκρίσεων καθώς κάθε πρόβλεψη συνοδευόταν από ένα σκορ εμπιστοσύνης το οποίο υποδείκνυε την ενεργοποίηση ή μη της απόφασης. Στη συνέχεια, ασχοληθήκαμε με την κατηγορία των ΔΕΥ που σχετίζεται με τη Νοερή Κίνηση των άκρων. Η μετάβαση αυτή, προκρίθηκε κυρίως λόγω της αδυναμίας των συστημάτων Προκλητών Δυναμικών Σταθερής Κατάστασης να χρησιμοποιούνται από τους χρήστες αυτόνομα και κατόπιν δικής τους πρόθεσης. Αρχικά, εστιάσαμε στα δεδομένα τα οποία συλλέξαμε από άτομα με Νευρομυϊκές παθήσεις και από αντίστοιχου μεγέθους δείγματος ελέγχου. Η ανάλυση βασίστηκε σε έννοιες αυτό-οργάνωσης πολύπλοκων δικτύων με στόχο την αναγνώριση διαφορών μεταξύ των πληθυσμών. Οι σημαντικές διαφορές που παρατηρήθηκαν στο συγχρονισμό φάσης (PLV) αλλά και στις ιδιότητες του εγκεφαλικού δικτύου (π.χ. Global/Local Efficiency), μπορούν να αποδοθούν στην πάθηση και στον τρόπο με τον οποίο αναδιοργανώνεται ο εγκέφαλος όσο αυτή εξελίσσεται. Σε δεύτερη φάση, έχοντας διαπιστώσει την καταλληλότητα της χρήσης του συγχρονισμού φάσης για την αναγνώριση της νοερής κίνησης σχεδιάσαμε ένα αλγοριθμικό πλαίσιο αποτελούμενο από μια αλληλουχία ταξινομητών το οποίο μπορεί να εντοπίζει την έναρξη της δραστηριότητας που σχετίζεται με την εκτελούμενη νοερή κίνηση. Έπειτα, εξετάσαμε την επεξεργασία σήματος σε επίπεδο γράφων, και πιο συγκεκριμένα το μετασχηματισμό Fourier σε επίπεδο γράφων, με σκοπό την αξιοποίησή του στην ανάλυση ΗΕΓ σήματος κατά την πραγματοποίηση διεργασιών Νοερής Κίνησης. Η πρώτη προσέγγιση αφορούσε τη χρήση της λειτουργικής συνδεσιμότητας στο σχεδιασμό του γράφου. Η δεύτερη προσέγγιση αφορούσε το σχεδιασμό ενός πολύ-επίπεδου γράφου, όπου κάθε επίπεδο αντιστοιχούσε σε δραστηριότητα από διαφορετικό εγκεφαλικό ρυθμό (δηλ. συχνοτικό περιεχόμενο), ενώ η συνδεσιμότητα των κόμβων αντιπροσώπευε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών ρυθμών. Η τρίτη προσέγγιση βασιζόταν στην τεχνική των Graph Slepian συναρτήσεων, οι οποίες υλοποιούν περιορισμούς τόσο σε επίπεδο γράφου όσο και σε επίπεδο φάσματος του γράφου. Τέλος, χρησιμοποιήσαμε έναν αλγόριθμο κατηγοριοποίησης ο οποίος δρα σε πίνακες συνδιακύμανσης και μπορεί να εντοπίσει τους αισθητήρες εκείνους οι οποίοι παρουσιάζουν τη μέγιστη διακριτική ικανότητα, ορίζοντας κατά αυτόν τον τρόπο το πιο συνεκτικό υπο-δίκτυο. Έχοντας εντοπίσει το συγκεκριμένο υπο-δίκτυο, οι αναπαραστάσεις των (περιορισμένων) πινάκων συνδιακύμανσης των MI δεδομένων γίνονται σε Ριμάνεια επιφάνεια, ενώ η κατηγοριοποίηση τους γίνεται με τη χρήση Μηχανών Διανυσμάτων Υποστήριξης (Support Vector Machines; SVMs).