Εφαρμογή αλγορίθμων αναγνώρισης προτύπων και ομαδοποίησης σε σήματα προκλητών δυναμικών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία, αποτελεί κομμάτι μίας πληρέστερης ερευνητικής εργασίας, που ως στόχο της έχει την κατηγοριοποίηση των προκλητών δυναμικών (ERPs – Evoked Related Potentials) που προέρχονται από ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα υγειών υποκειμένων, τα οποία συμμετείχαν στην πειραματική διαδικασία. Σημειώνεται πως το πείραμα που πραγματοποιήθηκε ήταν in vivo (λατινογενής έκφραση η οποία ερμηνεύεται ως «εν ζωή»), δηλαδή πραγματοποιήθηκε σε ζωντανούς οργανισμούς. Τα προκλητά δυναμικά παρήχθησαν θέτοντας δύο ειδών ερωτήσεις στους συμμετέχοντες, τις «έγκυρες» που σχετίζονται με την Αριστοτέλεια επαγωγική συλλογιστική και τα «λογικά παράδοξα», τα οποία σχετίζονται με τα παράδοξα του Ζήνωνα. Για την καλύτερη δυνατή κατηγοριοποίηση τους, εφαρμόστηκαν στα προκλητά δυναμικά τεχνικές Αναγνώρισης Προτύπων και Ψηφιακής Επεξεργασίας. Συγκεκριμένα, εφαρμόσθηκε μια διαδικασία ομοιοθεσίας στο πεδίο του πλάτους και στο πεδίο του χρόνου για το κάθε ERP σήμα και στη συνέχεια, ακολούθησε η βέλτιστη προσαρμογή σε κάθε ηλεκτρόδιο χωριστά, των καμπυλών ERPs ανά δύο. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η εξαγωγή κάποιων αρχικών ομάδων, κάθε μία από τις οποίες προσέφεραν ένα βέλτιστο κοινό πρότυπο μετά από εξαντλητικό ταίριασμα όλων των καμπυλών της ομάδας. Σε αυτά τα βέλτιστα κοινά πρότυπα πραγματοποιήθηκε προσαρμογή καμπυλών ώστε να σχηματιστούν οι τελικές ομάδες ERPs ανά ηλεκτρόδιο. Στα αποτελέσματα που προέκυψαν από την τελική κατηγοριοποίηση πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια ενδελεχής στατιστική ανάλυση, στόχος της οποίας ήταν να δείξει κατά πόσον οι δύο εξεταζόμενες εγκεφαλικές λειτουργίες, η λογική συνεπαγωγή και ο παράδοξος συλλογισμός αντανακλούν με διαφορετικό τρόπο στα καταγεγραμμένα από το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ) σήματα προκλητών δυναμικών των συμμετεχόντων. Επομένως, επιχειρείται στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας η υποστήριξη της θέσης πως η βαθύτερη νοητική διαδικασία του έγκυρου και του παράδοξου συλλογίζεσθαι διαφοροποιούνται και πως αυτή η διαφορά γίνεται κατανοητή από τα ERPs των υποψηφίων. Με άλλα λόγια, η εργασία θέτει ως βάση την υπόθεση ότι θα υπάρξουν ομοιότητες στα βιολογικά σήματα των συμμετεχόντων εκείνων που παρουσιάζουν κοινές νομοτελειακές λειτουργίες. Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1 δίνεται αναλυτικά ο στόχος της παρούσας διπλωματικής. Το Κεφάλαιο 2 αποτελεί μια εισαγωγή στις έννοιες που θα χρειασθεί να είναι γνώριμες για να είναι κατανοητή η ανάγνωση της διπλωματικής εργασίας. Συγκεκριμένα, οι έννοιες αυτές αφορούν στην Αριστοτέλεια επαγωγική συλλογιστική, στα παράδοξα του Ζήνωνα και στις εσωτερικές εγκεφαλικές 2 διεργασίες που βρίσκονται πίσω από τις συλλογιστικές αυτές. Επίσης, στο ίδιο κεφάλαιο, γίνεται μία πρώτη αναφορά στη μέθοδο που θα χρησιμοποιηθεί στη συγκεκριμένη εργασία για τη μελέτη του εγκεφάλου, η οποία κάνει χρήση των προκλητών δυναμικών (ERPs). Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3 γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν για την διεξαγωγή της εργασίας. Αρχικά παρουσιάζεται η κεντρική ιδέα, η διάταξη, οι συνθήκες και η αναλυτική διαδικασία του πειράματος και στη συνέχεια δίδονται πληροφορίες σχετικά με το ερωτηματολόγιο και τα χαρακτηριστικά του συμμετέχοντα πληθυσμού. Στο 4ο Κεφάλαιο, αρχίζει η θεωρητική ανάλυση της προσέγγισης όπου παρατίθενται οι ενέργειες τόσο της ευρύτερης ερευνητικής εργασίας, όσο και της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Στο συγκεκριμένο κεφάλαιο πραγματοποιείται η ανάλυση της προεπεξεργασίας των ληφθέντων ERPs σημάτων και παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθείται για τη μείωση του σηματοθορυβικού λόγου. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5 δίνεται αρχικά μια πλήρης ανάλυση του φαινομένου της Τυχαίας Αρνητικής Μεταβολής (Contingent Negative Variation, CNV) και ακολούθως παρουσιάζονται τόσο με μαθηματικούς ορισμούς όσο και εννοιολογικά οι μετασχηματισμοί που εφαρμόσθηκαν στα σήματα προκλητών δυναμικών που λάβαμε από τα υποκείμενα, ο τρόπος επιλογής του κατάλληλου σφάλματος προσαρμογής και τελικά με χρήση αυτών η πρώτη ομαδοποίηση των δεδομένων μας. Τα βήματα που ακολουθούνται για την τελική ομαδοποίηση δίνονται στο 6ο Κεφάλαιο, ενώ στο 7ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται ενδελεχώς η μέθοδος για τον εντοπισμό της στατιστικής διαφοράς μεταξύ «έγκυρης συλλογιστικής» και την «συλλογιστική των παραδόξων» σε όλα τα υποκείμενα για κάθε ηλεκτρόδιο χωριστά. Στο Κεφάλαιο 8, παρουσιάζονται αναλυτικά κάποια παραδείγματα ενός συγκεκριμένου ηλεκτροδίου ώστε να λάβει ο αναγνώστης μια πληρέστερη και περισσότερο κατανοητή εικόνα του πειράματος. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν μετά από την πραγματοποίηση όλης της προαναφερθείσας διαδικασίας.

The present dissertation is a part of a larger research project which focuses on the classification of the ERPs (Evoked Related Potentials) deriving from the electroencephalograms of healthy people, who participated in the experimental procedure. It should be noted that the experiment was carried out in vivo (Latin for “within the living”), which means that the experimentation used a whole, living organism. In order to produce the evoked potentials, the participants were asked to answer two types of questions, the “valid”, which are related to Aristotle’s deductive reasoning and the “paradoxes”, related to Zenon’s paradoxes. In order to achieve their optimal classification, pattern recognition techniques and digital processing were applied to the ERPs. In particular, an application of time-domain and amplitude scaling was implemented on each ERP signal, followed by the optimal fit of two ERPs to each electrode separately. This resulted in the extraction of a number of preliminary groups, each of which gave an optimal group representative after exhaustively matching all the curves of the group. In order to form the final groups of ERPs per electrode, an adjustment of the curves was made to those optimal group representatives. A detailed statistical analysis was performed on the results obtained by the final classification. The aim of this analysis was to show whether the two examined brain functions, the logical implication and the paradoxical reasoning, reflect in a different way on the recorded from the electroencephalogram (EEG) of the participants evoked potential signals. Therefore, this research project attempts to prove that the underlying mental process of the valid and paradox reasoning are different and that difference is reflected on the ERPs of the subjects. In other words, the present dissertation is premised on the hypothesis that there will be similarities in the biological signals of the participants with common deterministic functions. Indicatively, the 1st Chapter presents in detail the aim of the present dissertation. The 2nd Chapter is an introduction to the terms and definitions that will be needed for a comprehensible reading of this thesis. More specifically, these definitions relate to the Aristotelian deductive reasoning, the paradoxes of Zeno and the internal brain processes underlying those reasoning procedures. What is more, in the same 4 chapter, a reference on the method that will be used for the study of the brain, is made. It is noted that this method makes use of the evoked potentials (ERPs). The 3rd Chapter gives a detailed description of the experiments carried out to complete the dissertation. In the first place, the main idea and the conditions of the experiment are presented, continued by the exact procedure that has been followed. Also, information on the questionnaire and the characteristics of the participating population is provided. In the 4th chapter, a theoretical analysis is given which summarizes both the actions of the larger project and the analysis that this dissertation uses. In this chapter, an analysis of the pre-processing of the received ERP signals is made and the procedure followed to reduce the signal-to-noise-ratio (SNR) is presented. In Chapter 5 a complete analysis of the Contingent Negative Variation (CNV) phenomenon is made. Then, the transformations applied to the ERP signals received by the participating subjects, are presented both in mathematical and conceptual terms. In addition, the process of choosing a properly defined error function is given. Finally, with the use of the aforementioned procedures, a first grouping of the data is achieved. In the 6th Chapter, the steps followed for the final grouping are presented. In Chapter 7, the method to detect the statistical difference between “valid reasoning” and “paradoxical reasoning” is given for all the subjects and for each individual electrode. In the 8th Chapter, detailed examples of a specific electrode are presented in order to provide the reader with a more clear and complete view of the experiment. Finally, in the 9th Chapter the reader will come across a presentation of the results obtained from the present dissertation.