Makine öğrenmesi algoritmaları kullanılarak glossokinetik potansiyel tabanlı dil - makine arayüzü tasarımı

Abstract

Yardımcı teknolojiler, ağır engelli bireylerin diğer aygıtlara veya bireylere niyetlerini iletmelerini sağlayabilir. Bu teknolojiler, bireylerin sürekli yardım alma ihtiyacını kolaylaştırarak, aile üyelerinin yükünü ve sağlık maliyetlerini azaltacaktır. Omurilik yaralanmalarında veya amiyotrofik lateral sklerozda, engelli insanlar dış dünyayla sınırlı derecede iletişim kurabilirler. Bu tez çalışmasında, makine öğrenmesi algoritmalarını uygulayarak 1-boyutlu hareketler içeren yardımcı teknolojileri kontrol etmek için glossokinetik potansiyel (GKP) tabanlı dil-makine arayüzü geliştirilmiştir. GKP sinyalleri, dil hareket bilgilerini içeren elektrik sinyalleridir. Tez çalışmasında GKP sinyalleri, deneysel düzenler içinde dil ucunun yanak duvarlarıyla teması sırasında kafa derisine yerleştirilen elektrotlarla ölçülmüştür. İnsan vücudunun en esnek organlarından biri olan dil, yardımcı teknolojiler alanında çalışan araştırmacılar tarafından ileri motor kontrol görevlerine aday olarak kabul edilmiştir. Dil, omurilik yaralanmaları ve çoğu sinir-kas bozukluklarında bile genellikle ağır hasarlardan kaçabilir ve beyine hipoglosal kraniel sinir yoluyla bağlanır. Bu nedenle, yüksek düzeyde omurilik yaralanması olan felçli kişiler bile, dil kontrol yeteneklerini korurlar. Bununla beraber dil, çok fazla çaba gerektirmeden ağız boşluğu içinde hızlı ve doğru bir şekilde hareket edebilir. Dahası, bu yetenekli organ, ağız boşluğu içinde olmasından dolayı engelli bireyler için mahremiyet sağlayabilir. Dil-makine arayüzlerini kullanan araştırma çalışmalarının çoğu, ağız boşluğu içinde ve baş çevresinde rahatsızlık veren, hijyenik olmayan ekipmanlara sahiptir. Ancak, bu tez çalışması, engelli insanlara yardımcı cihazları doğal, rahatsızlık vermeyen, hızlı ve güvenilir bir şekilde kontrol etmeye hizmet edebilir. Çalışmada, geleneksel makine öğrenmesi algoritmaları ve konvolüsyonel yapay sinir ağı kullanarak sırasıyla %99 ve %100'e ulaşan sınıflandırma doğrulukları elde edilmiş ve yöntemlerin karşılaştırmalı analizi yapılmıştır. Zaman alanı ve frekans alanı özellik çıkarma metotlarının yanı sıra ayrık dalgacık dönüşümü, temel bileşen analizi ve bağımsız bileşen analizi sinyal işleme teknikleri de kullanılmıştır. Ayrıca, glossokinetik potansiyel tabanlı dil-makine arayüzü, elektroensefalografi (EEG) sinyallerinden kaynaklanan önemli yetersizlikleri içeren geleneksel EEG tabanlı beyin-bilgisayar arayüzleri için alternatif veya yardımcı kontrol ve iletişim kanalı olabileceği beklenmektedir.

Assistive technologies (ATs) can enable severely disabled individuals to communicate their intentions to other devices or individuals. These technologies will ease the burden on family members and health costs by facilitating the need for continuous help for individuals. In spinal cord injuries (SCIs) or amyotrophic lateral sclerosis (ALS), diasabled people can communicate with the external world to a limited degree. In this thesis study, we have developed glossokinetic potential (GKP) based tongue-machine interface (TMI) to control assistive technologies for 1-D movements via implementing machine learning algorithms. GKP signals are electrical signals that consist of information on tongue movements. In the thesis study, GKP signals were measured by electrodes placed on the scalp during contact of the tongue tip and buccal walls in the experimental setups. Tongue, one of the most flexible organs of the human body, has been accepted as a candidate for advanced motor control tasks by researchers in the field of assistive technologies. The tongue is connected to the brain via the hypoglossal cranial nerve and can generally escape severe damages in SCIs and most neuromuscular disorders. Hence, high-level SCIs still maintain intact tongue control capabilities. Then the tongue is able move quickly and accurately without so much effort. Moreover, this gifted organ may provide privacy for paralytics because in the oral cavity. Most of the research using TMIs have obtrusive, unhygienic pieces of equipment in the oral cavity and around the headset. However, this dissertation may serve disabled people to control assistive technologies in natural, unobtrusive, speedy and reliable manner. In the study, traditional machine learning algorithms and convolutional neural network were used and classification accuracies of %99 and %100 were achieved respectively. And then comparative analysis of the algorithms was performed. In addition to time domain and frequency domain feature extraction methods, discrete wavelet transform, principal component analysis and independent component analysis signal processing techniques were also used. Moreover, it is expected that GKP-based TMI could be alternative or partner control and communication channel for traditional electroencephalography (EEG)-based brain-computer interfaces (BCIs) which involve significant inadequacies arisen from the EEG signals.