SUPERVISOR
Rasoul AmirFattahi,Mohammad mahdi Naghsh
رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد راهنما) محمد مهدی نقش (استاد مشاور)
STUDENT
Sepehr Mortaheb
سپهر مرتهب
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Improvement and Development of Single Trial ERP Extraction Methods for Analysis of Time Perception Mechanism in Kids
Time perception is an intrinsic ability of human beings and animals which is used to percept and estimate time duration between events. How time perception system functions and its characteristics in human beings of different ages and sexes are still among biggest mysteries of neuroscience. In order to analyze this mechanism, various imaging and brain signal recording techniques such as fMRI, PET and EEG have been utilized so far. One of the inexpensive and easy methods with a high temporal resolution is to use Event Related Potentials (ERP). These signals are generated during EEG recording, when subjects are stimulated with visual, auditory or somatosensory stimuli. The main drawback of utilizing these signals is their very low signal to noise ratio (SNR) which makes difficult their observation and extraction from ongoing brain activity signals. The most conventional method to extract these signals is synchronized averaging. In this method, the subject is stimulated with frequent stimuli and their responses are recorded. Recorded signals are aligned according to the stimulus time and their average is calculated to remove random noise and extract ERPs. The high number of trials required to reach desired SNR, nonstationarity of ERPs in consecutive trials, and loss of useful physiologic information exist in variability of ERPs in various trials are the most important disadvantages of this method. As a result, various algorithms are proposed to extract ERPs in a single trial manner. In this thesis, different single trial ERP extraction methods are studied and their advantages and disadvantages are examined. To improve the efficiency of these algorithms in very low SNR conditions, a two stage algorithm is proposed. At the first stage, average of some trials is calculated and wavelet coefficients related to the averaged ERP are extracted using a new approach in wavelet transform and extended taut string algorithm. These coefficients are utilized as priori information in second stage to extract single trial ERPs by means of adaptive noise cancelers and wavelet reconstruction. Simulation results with additive white Gaussian noise and real EEG noise show the superiority of proposed algorithm over conventional and recently proposed algorithms for single trial ERP extraction and trial to trial amplitude variability tracking. In addition, single trial analysis of time perception signals shows that CNV component of trials in signals recorded from Fz electrode can be considered as a representative of accumulator behavior in central clock model of time perception system. Furthermore, the feeling of nowness time point was estimated usually between 2 and 3 seconds in healthy group of children. These results can be utilized in future researches such as comparison of healthy controls and children with ADHD. Keywords: Event Related Potential, Time Perception, Single Trial ERP, Wavelet Transform
ادراک زمان یکی از تواناییهای ذاتی انسانها و سایر موجودات زنده است که به وسیلهی آن قادر به درک و تخمین مدت زمان بین اتفاقات مختلف هستند و بر اساس آن گذر زمان در شرایط مختلف را متفاوت با زمان واقعی و فیزیکی درک میکنند. چگونگی عملکرد سیستم ادراک زمان و ویژگیهای آن در انسانها و در سنین و جنسیتهای مختلف همچنان یکی از بزرگترین سوالات علوم اعصاب است. به منظور بررسی این مکانیزم، روشهای مختلف تصویربرداری و ثبت سیگنال مغزی مانند fMRI، PET و EEG مورد استفاده قرار گرفته است. یکی از روشهای ارزان، ساده و با دقت زمانی بالا استفاده از پتانسیلهای وابسته به رخداد است. اگر در هنگام ثبت EEG به شخص تحریک بینایی، شنوایی و یا الکتریکی اعمال شود این پتانسیلها ایجاد میشوند. مشکل اصلی پتانسیلهای وابسته به رخداد نسبت سیگنال به نویز بسیار پایین آنهاست که مشاهده و استخراج آنها را از سیگنالهای فعالیت پسزمینهی مغز بسیار دشوار کرده است. روش متداول استخراج این سیگنالها میانگینگیری همگام شده است. در این روش تحریکهای متوالی به شخص اعمال شده و پاسخ آنها ثبت میگردند. سیگنالهای ثبت شده بر اساس زمان تحریک مرتب شده و از آنها میانگین گرفته میشود تا نویز تصادفی حذف شده و پتانسیل وابسته به رخداد استخراج شود. تعداد زیاد ثبت مورد نیاز برای رسیدن به SNR مورد نظر، ایستان نبودن پتانسیلهای وابسته به رخداد در ثبتهای مختلف و از دست رفتن اطلاعات مفید فیزیولوژیک موجود در تغییرات موجود در سیگنالهای هر ثبت از معایب بسیار مهم این روش است. بنابراین الگوریتمهای مختلفی به منظور استخراج این سیگنالها به صورت تکثبت ارائه شده است. در این پایاننامه به بررسی الگوریتمهای مختلف استخراج پتانسیل وابسته به رخداد به صورت تکثبت پرداخته و مزایا و معایب هر کدام مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور بهبود کارایی این الگوریتمها در SNRهای بسیار پایین، الگوریتمی دو مرحلهای ارائه شده است. در مرحلهی اول این الگوریتم از تعدادی ثبت میانگینگیری شده و با استفاده از روش نوینی در تبدیل موجک و الگوریتم نخ کشیده ضرایب موجک مربوط به پتانسیل وابسته به رخداد استخراج میشود. این ضرایب به عنوان اطلاعات پیشین در مرحلهی دوم مورد استفاده قرار گرفته و با استفاده از حذف کنندهی نویز وفقی و بازسازی موجک سیگنالهای تکثبت استخراج میشوند. نتایج شبیهسازی با مدلهای نویز سفید گوسی و سیگنال EEG واقعی نشان میدهد که الگوریتم پیشنهادی در استخراج شکل موج سیگنال ERP و دنبال کردن تغییرات مربوط به دامنهی مولفههای مختلف در ثبتهای گوناگون از الگوریتمهای متداول و جدید استخراج تکثبت پتانسیلهای وابسته به رخداد بهتر عمل میکند. همچنین تحلیل سیگنالهای تکثبت در بررسی مکانیزم ادراک زمان نشان میدهد که مولفهی CNV سیگنال ثبت شده از الکترود Fz میتواند به عنوان نشان دهندهی رفتار جمع کننده در مدل ساعت داخلی برای سیستم ادراک زمان باشد. علاوه بر آن نشان داده شده است که زمان احساس حال در کودکان سالم عددی بین 2 تا 3 ثانیه است. این نتایج در آینده میتواند در مقایسهی گروههای سالم و بیمار به منظور بررسی بیماریهایی همچون بیشفعالی مورد استفاده قرار گیرد. واژه های کلیدی: پتانسیل وابسته به رخداد، اداراک زمان، سیگنال تک ثبت، تبدیل موجک