فهرست مطالب

فصلنامه مهندسی پزشکی زیستی
سال چهاردهم شماره 3 (پاییز 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/07/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • محمدجواد عین افشار، سید عطاءالله هاشمی*، پدرام مژگانی صفحات 169-177

    درد در ناحیه ی کمر یک مشکل رایج پزشکی بوده که تا کنون دلیل مشخصی برای آن یافته نشده است اما در اغلب موارد بی ثباتی ستون فقرات به عنوان مهم ترین دلیل بروز آن در نظر گرفته می شود. یکی از راه های درمان کمردرد، ثابت سازی ستون فقرات است که با عمل یا بدون عمل جراحی انجام می شود. یکی از روش های جراحی، استفاده از پیچ ارتوپدی است که در آن استحکام و پایداری پیچ اهمیت زیادی دارد. استحکام و پایداری پیچ در استخوان باعث کاهش زمان و هزینه ی درمان، کاهش مقدار خون ریزی و تسریع درمان می شود. برای ارزیابی پایداری پیچ های ارتوپدی و ستون فقرات می توان از آزمون های پیچش پیچ، نیروی کشش پیچ، گشتاور ورود، بار خستگی و عکس های رادیولوژی استفاده کرد. در این پژوهش، بیشینه ی گشتاور ورود هنگام ورود پیچ به مهره ی ستون فقرات کمری گوسفند با گشتاورسنج دیجیتال اندازه گیری شده، سپس با چکش مخصوص ضربه، ضربه ای به پیچ وارد شده و صدای تولید شده با یک میکروفون دیجیتال ضبط شده است. با پردازش سیگنال حاصل با نرم افزار متلب و رسم نمودار تبدیل فوریه ی سریع، مود ارتعاشی پیچ به دست آمده و نیروی کشش پیچ برای نمونه ها با دستگاه آزمون کشش تعیین شده است. نوآوری این مقاله استفاده از روش تحلیل مودال و تعیین رابطه ی آن با بیش ترین نیروی کشش پیچ و گشتاور ورود است. در این مطالعه 5 پیچ مورد آزمایش قرار گرفته که پارامترهای عمق پیچ، متغیر بودن تاج رزوه ی پیچ و خودکار بودن/نبودن پیچ در آن ها متفاوت است. بیش ترین گشتاور ورود، نیروی کشش و فرکانس طبیعی به ترتیب برابر با 182 N.cm، 992 N و 1916 Hz در پیچ با بدنه ی استوانه ای محاسبه شده است. با بررسی داده های به دست آمده مشاهده شده است که یک رابطه ی خطی بین بیش ترین نیروی کشش پیچ و گشتاور پیچ وجود دارد. با توجه به عدم وجود معناداری در داده های فرکانس طبیعی و نیروی کشش پیچ بین پیچ های دارای نوک خودکار و غیرخودکار (مقایسه ی پیچ های 3 و 4 و پیچ های 1 و 5)، استفاده از پیچ های خودکار یک مزیت به شمار می رود. روند صعودی یا نزولی پارامترهای وابسته در هر سه روش بیش ترین گشتاور ورود، بیش ترین نیروی کشش پیچ و فرکانس طبیعی یک سان است که با توجه به غیرمخرب بودن روش آنالیز مودال می تواند یک مزیت برای استفاده در جراحی های درون تنی باشد.

    کلیدواژگان: تحلیل مودال، فرکانس طبیعی، نیروی کشش پیچ، گشتاور ورود، پیچ های ارتوپدی خودکار
  • تشخیص خودکار خستگی راننده با استفاده از سیگنال های EEG بر اساس شبکه های یادگیری عمیق
    سبحان شیخی وند، زهره موسوی، توحید یوسفی رضایی* صفحات 179-193
    در سال های اخیر خستگی راننده به یکی از دلایل مهم تصادفات جاده ای تبدیل شده و مطالعات زیادی برای تحلیل خستگی راننده انجام شده است. سیگنال های EEG به دلیل غیرتهاجمی بودن، مطمین ترین روش برای اندازه گیری خستگی راننده محسوب می شوند. تفسیر دستی سیگنال های EEG برای تشخیص خستگی راننده امری دشوار است، بنابراین باید سیستم خودکاری برای تشخیص خستگی راننده با استفاده از سیگنال های EEG فراهم شود. یکی از مشکلات مربوط به الگوریتم های تشخیص خودکار خستگی راننده، استخراج و انتخاب ویژگی های تبعیض آمیز است که به طور کلی منجر به پیچیدگی محاسباتی می شود. در این مقاله یک رویکرد جدید برای طبقه بندی خودکار دومرحله ای خستگی راننده از 6 منطقه ی فعال با استفاده از سیگنال های EEG ارایه شده است. در این روش سیگنال EEG ثبت شده به طور مستقیم و بدون استفاده از استخراج/انتخاب ویژگی کلاسیک به عنوان ورودی شبکه ی عمیق کانولوشنال و شبکه ی حافظه ی طولانی کوتاه مدت (CNN-LSTM) در نظر گرفته شده است. موارد بیان شده به عنوان یک روند چالش برانگیز در مقالات پیشین مطرح شده است. معماری شبکه ی پیشنهادی به صورت 7 لایه ی کانولوشن با 3 لایه ی LSTM و به دنبال آن 2 لایه ی کاملا متصل طراحی شده است. از شبکه ی LSTM در ترکیب با شبکه ی CNN  برای افزایش پایداری و کاهش نوسانات استفاده شده است. نتایج شبیه سازی روش پیشنهادی برای طبقه بندی 2 حالت از خستگی راننده برای 6 ناحیه ی فعال A، B، C، D، E (بر اساس یک کانال) و F به ترتیب صحت 23/99، 55/97، 98، 26/97، 78/98، 77/93 درصد و ضریب کاپاکوهن 98/0، 96/0، 97/0، 96/0، 98/0 و 92/0 را ارایه کرده است. علاوه بر این با مقایسه ی نتایج به دست آمده با نتایج روش های پیشین، عمل کرد مطلوب روش پیشنهادی نشان داده شده است. هم چنین با توجه به صحت بالای روش پیشنهادی بر اساس یک کانال سیگنال EEG (منطقه ی E)، می توان از آن برای طراحی سیستم های خودکار تشخیص خستگی راننده با پیش شرط سرعت و صحت بالا استفاده کرد.
    کلیدواژگان: سیگنال های EEG، خستگی راننده، CNN، LSTM
  • خسرو رضایی*، فردین قادری، حامد طاهری گرجی، جواد حدادنیا صفحات 195-208
    در پروتزهای مدرن، طبقه بندی سیگنال های الکترومایوگرام سطحی (sEMG) تا حد زیادی بر کنترل مطلوب عضلات اثر دارد. اگر چه این سیگنال ها در تشخیص بیماری های عصبی-عضلانی، کنترل دستگاه های پروتز و تشخیص حالات دست مفید هستند، بازشناسی غیرمقاوم آن ها می تواند باعث بروز عارضه های مختلف حرکتی شود. در این مقاله با هدف ایجاد رویکردی بهینه در طبقه بندی سیگنال های الکترومایوگرام سطحی در تشخیص نوع حرکت و نیز شناسایی ژست دست، مدلی جدید طراحی شده است که می تواند در تشخیص بیماری های عصبی-عضلانی، تعیین نوع درمان و فیزیوتراپی مورد استفاده قرار گیرد. با در نظر گرفتن چالش های موجود در شناسایی کلاس های حرکتی دست، روش پیشنهادی از سه گام تشکیل شده است. در گام اول قاب بندی و استخراج ویژگی از سیگنال توسط توصیف گرهای حوزه ی زمان-فرکانس و بعد فراکتال انجام شده، در مرحله ی دوم انتخاب ویژگی با استفاده از یک روش جدید هم جوشی نرم سه رویکرد آزمون-T، آنتروپی و پیچش عام صورت گرفته و در گام سوم طبقه بندی حالات حرکتی و ژست دست با تکیه بر بهینه سازی پارامترهای کرنل ماشین بردار پشتیبان توسط الگوریتم حرکت کاتوره ای گاز انجام شده است. دو مجموعه ی داده ی UC2018 DualMyo و UCI جهت ارزیابی روش پیشنهادی در نظر گرفته شده که از داده ی نخست برای دسته بندی 8 ژست حرکتی و از داده ی دوم برای طبقه بندی 6 نوع حالت حرکت استفاده شده است. عمل کرد راه کار پیشنهادی با میانگین صحت بالای 98% در هر دو مجموعه ی داده رضایت بخش می باشد. برخلاف رویکردهای مشابه که در آن ها طبقه بندی در تعداد طبقه های محدود و با سطح خطای بالا اجرا شده، روش پیشنهادی از دقت، ثبات و اعتمادپذیری قابل قبولی برخوردار است. به کارگیری این روش در طراحی پروتزهای دست موثر بوده و می تواند در کاربردهای توان بخشی و فرایندهای تشخیص بالینی نیز تاثیرگذار باشد.
    کلیدواژگان: سیگنال الکترومایوگرام، ژست دست، حالت حرکتی، بعد فراکتال، هم جوشی نرم، طبقه بندی بهینه
  • سبحان شیخی وند، زهره موسوی، توحید یوسفی رضایی* صفحات 209-220
    استفاده از یک روش هوشمند برای تشخیص خودکار مراحل مختلف بیماری صرع در کاربردهای پزشکی جهت کاهش حجم کار پزشکان در تجزیه و تحلیل داده های صرع از طریق بازرسی بصری یکی از چالش های مهم در سال های اخیر بوده است. یکی از مشکلات شناسایی خودکار مراحل مختلف بیماری صرع، استخراج ویژگی های مطلوبی است که بتوانند بیش ترین تمایز را میان مراحل مختلف صرع ایجاد نمایند. فرایند یافتن ویژگی های مناسب عموما امری زمان بر است. در این پژوهش رویکرد جدیدی برای شناسایی خودکار مراحل مختلف صرع ارایه شده است. در این مقاله از دسته بندی مبتنی بر نمایش تنک سیگنال (SRC) به همراه یادگیری دیکشنری آموزش دیده برای شناسایی خودکار مراحل مختلف بیماری صرع با استفاده از سیگنال EEG استفاده شده است. روش پیشنهادی در 8 سناریو از 9 سناریوی ارایه شده به صحت، حساسیت و اختصاصیت 100% دست یافته و هم چنین در برابر نویز گوسی تا سطح صفر دسی بل مقاوم می باشد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که استفاده از الگوریتم پیشنهادی برای شناسایی مراحل مختلف صرع موفقیت بیش تری نسبت به سایر روش های مشابه دارد.
    کلیدواژگان: الکتروانسفالوگرام، صرع، دسته بندی مبتنی بر نمایش تنک (SRC)، یادگیری دیکشنری
  • سپیده حاجی پور*، عارف عینی زاده صفحات 221-233

    سیگنال الکتریکی مغز به دلیل سهولت در ثبت، غیرتهاجمی بودن و دقت آن، کاربرد بسیار گسترده ای در حوزه های کلینیکی و تحقیقات دانشگاهی پیدا کرده است. یکی از کاربردها را می توان بازشناسی احساس از روی سیگنال الکتریکی مغزی دانست. برای مشخص کردن نوع احساس برانگیخته عموما از دو معیار خوشایندی و انگیختگی استفاده می شود که به ترتیب "میزان مثبت یا منفی بودن" و "میزان برون فکنی یا هیجان ایجاد شده" را برای احساس خاص مشخص می نمایند. اهمیت احساس با توجه به عکس العمل های ناشی از این پدیده، در انجام وظایف روزانه به خصوص در مواردی که شخص با فعالیت هایی که نیاز به دقت و تمرکز دارند روبه روست، مشخص می شود. در مسئله بازشناسی احساس، ابتدا با استفاده از محرک های حسی مناسب، احساسات مختلف برای سوژه های مورد بررسی ایجاد شده و سیگنال های مغزی متناظر با هر تحریک ثبت می شوند. دو مرحله پردازش اصلی در حل مسئله بازشناسی احساسات، استخراج ویژگی های مناسب و استفاده از طبقه بندها یا رگرسیون های مناسب است. در پژوهش های پیشین، محرک های مختلف بینایی و شنوایی مورد استفاده قرار گرفته اند و ویژگی ها و طبقه بندهای متنوع خطی و غیرخطی بررسی شده اند. در این مقاله، هدف بهبود الگوریتم های رگرسیون خطی برای تخمین بهتر معیارهای بازشناسی احساسات انسانی بوده است. بدین منظور یک الگوریتم جدید ارایه شده است که از تنک بودن بردار ترکیب در کنار تابع هزینه رگرسیون خطی استفاده می کند. کارایی الگوریتم ارایه شده بر روی داده های ساختگی بررسی شده است و برتری آن نسبت به الگوریتم های رگرسیون خطی PLS، LASSO، SOPLS و Ridge نشان داده شده است. هم چنین برای اعمال الگوریتم ارایه شده بر روی داده های EEG مربوط به بازشناسی احساسات، از مجموعه دادگان DEAP استفاده شده و ویژگی ضرایب مدل AR از سیگنال های EEG استخراج شده است. نتایج به دست آمده از الگوریتم پیشنهادی با نتایج به دست آمده از دیگر الگوریتم ها مقایسه شده است که در مجموع برتری نسبی الگوریتم ارایه شده را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: سیگنال EEG، بازشناسی احساسات، رگرسیون خطی، رگرسیون PLS، ضرایب تنک، خوشایندی، انگیختگی
  • حسام احمدی، عمادالدین فاطمی زاده*، علی مطیع نصرآبادی صفحات 235-249

    تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی روشی غیرتهاجمی برای بررسی عملکرد مغز از طریق نوسانات فرکانس پایین سیگنال های وابسته به سطح اکسیژن خون می باشد. آنالیز عملکردی شبکه های مغزی برپایه سری های زمانی تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی معمولا با استفاده از محاسبه ضریب همبستگی پیرسون بین نواحی مختلف مغز انجام می شود. از آنجایی که همبستگی پیرسون ارتباطات خطی را آشکار می کند و در مورد همبستگی های غیرخطی محدودیت دارد، در این تحقیق با استفاده از روش کرنل ارتباطات عملکردی غیرخطی در داده-های تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی بیماران آلزایمر مورد ارزیابی قرار می گیرند. روش کرنل، با افزایش بعد فضا و انجام محاسبات در فضای جدید که معادل رابطه غیرخطی در فضای اولیه است، امکان ارزیابی ارتباطات عملکردی غیرخطی را فراهم می کند. برای ساخت گراف های وزن دار بدون جهت، از توابع کرنل مختلف با پارامترهای گوناگون استفاده می شود. سپس ویژگی-های سراسری گراف از جمله درجه، قدرت، طول مسیر مشخصه، ماژولاریتی، جهان کوچک و بهره وری محاسبه می شوند و آنالیز آماری غیرپارامتری جایگشتی انجام می شود. نتایج آنالیز آماری نشان می دهد که همبستگی بدست آمده از روش کرنل در مقایسه با همبستگی پیرسون تمایز بیشتری بین گروه بیمار و کنترل ایجاد می کند که می تواند به دلیل وجود ارتباطات غیرخطی ای باشد که روش پیرسون قادر به آشکارسازی آن ها نیست. همچنین در بین توابع کرنل مختلف، بیشترین تمایز آماری هنگام استفاده از کرنل چندجمله ای درجه سوم حاصل می شود. به منظور حصول اطمینان، از طبقه بند ماشین بردار پشتیبان با کرنل های مختلف نیز استفاده می گردد که بیشترین صحت طبقه بندی برابر با 79/0 ± 68/98 است. آنالیز شبکه حالت پایه نیز با روش کرنل و پیرسون انجام می شود که در آن، روش کرنل تفاوت آماری معنی دار بیشتری نشان می دهد. شایان ذکر است نواحی آنگولار راست و چپ که جزیی از شبکه حالت پایه هستند، با هیچ کدام از دو روش تمایزی نشان نمی دهند و می توان نتیجه گرفت بیماری آلزایمر بر ارتباط عملکردی این نواحی تاثیر چندانی ندارد.

    کلیدواژگان: تصویربرداری تشدیدمغناطیسی عملکردی، ارتباط عملکردی، بیماری آلزایمر، نظریه گراف، روش کرنل
  • غزاله سلیمانی، مهرداد ساویز*، فرزاد توحیدخواه، حامد اختیاری صفحات 251-266

    تحریک الکتریکی جریان مستقیم فراجمجمه ای (tDCS) پرکاربردترین روش تحریک غیرتهاجمی مغز است که چالش اساسی آن تفاوت های بین فردی است که در پاسخ به این تحریک گزارش می شود. یک منبع در ایجاد این تنوعات را می توان تفاوت در توزیع میدان الکتریکی درنظر گرفت که به دلیل تفاوت در ساختارهای مغزی ایجاد می شود. شواهد نشان می دهد که میدان ناشی از tDCS می تواند فعالیت های مغزی را تحت تاثیر خود قرار دهد و باعث ایجاد تغییر در رفتار گردد؛ اما ارتباط بین توزیع میدان و فعالیت های مغزی هنوز بررسی نشده است. از این رو در این مطالعه متقاطع دوسو کور، بر روی 14 فرد وابسته به مت آمفتامین، tDCS با شدت 2 میلی آمپر به قشر پیش پیشانی اعمال و قبل و بعد از تحریک، تصویر تشدید مغناطیسی ساختاری و عملکردی برای تعیین توزیع میدان و مشاهده فعالیت مغزی در پاسخ به نشانه های مواد، ثبت شده است. هر فرد با فاصله حداقل یک هفته تحریک الکتریکی را یک جلسه به صورت واقعی و جلسه دیگر به صورت غیرواقعی دریافت کرده است. مدل های سر مبتنی برروش های المان محدود برای نمایش توزیع میدان شبیه سازی شده و آنالیز گروهی نشان داده است که بیشترین میدان در ناحیه پیش پیشانی ایجاد می گردد (07/0±3424/0) و دربین افراد از نظر توزیع مکانی میدان تفاوت وجود دارد. داده های کارکردی نیز حاکی از آن است که در تفاوت بین پاسخ به نشانه های مواد و تصاویری که مربوط به مواد نیستند، تحریک واقعی در مقایسه با تحریک غیرواقعی فعالیت مغزی را در چین گیجگاهی فوقانی و قشر کمربندی خلفی کاهش می دهد (0001/0 >P)؛ اما همبستگی معناداری بین شدت میدان و تغییرات فعالیت مغزی به دست نیامده است. در این مطالعه یک روش کار برای ترکیب مدل های سر با اطلاعات مربوط به عملکرد مغز ارایه گردیده، این ترکیب اطلاعات تاکنون بررسی نشده و می تواند دریچه ای بروی درک بهتر مکانیسم اثر tDCS باشد.

    کلیدواژگان: تحریک الکتریکی جریان مستقیم فراجمجمه ای، مدل های محاسباتی سر، فعالیت مغزی، اعتیاد
|
  • MohammadJavad Einafshar, Seyed Ataollah Hashemi *, Pedram Mojgani Pages 169-177

    Back pain is a common medical problem. There is no clear cause for the back pain problem so far, but in most cases, spinal instability can be noted. Lumbar spine fixation is performed to treat the problems of low back pain. Spinal fixation can be done with or without surgery. One of the surgical methods is the use of spinal screws in which the strength and stability of the screw are of great importance. The strength and stability of the screw in the bone reduces the time and cost of treatment, reduces the amount of bleeding and accelerates the patient's treatment. In this study, screws were inserted using a digital torque meter. An impact was applied using an impact hammer and resonated sound was recorded using a microphone. The vibration mode of the screw was obtained by processing the signal generated by MATLAB R2017 software and plotting the fast Fourier transform. Finally, tensile test was performed to obtain the ultimate pull-out force. The innovation of this study was to use modal analysis method and to correlate its results with that of the ultimate pull-out force and peak insertion torque. In this study, five screws with different screw depth, and screw thread crest thickness were examined. Also, the effect of self-tapping was investigated. The peak insertion torque, ultimate pull-out strength and natural frequency occurred at 182 Nm, 992 N and 1916 Hz, respectively, for the cylindrical pedicle screw. By comparing the obtained data, results showed a linear relationship between insertion torque and pull-out force of the screws. Due to the lack of significant difference between natural frequency and pull-out force of the self-drilling and non-self-drilling tip screws (comparing between screws number 3 and 4 and between 1 and 5), the use of self-tapping screws can be advantageous. The trend of the dependent parameters in all three methods i.e. insertion torque, pull-out force and natural frequency are the same, indicating the non-destructive advantage of modal analysis in in-vivo surgical application.

    Keywords: modal analysis, natural frequency, Pull-Out Strength, insertion torque, Self-Tapping Pedicle Screws
  • Automatic Detection of Driver Fatigue from EEG Signals using Deep Neural Networks
    Sobhan Sheykhivand, Zohreh Mousavi, Tohid Yousefi Rezaii * Pages 179-193
    In recent years, driver fatigue has become one of the major causes of road accidents, and many studies have been conducted to analyze driver fatigue. EEG signals are considered the most reliable method for measuring driver fatigue because of the non-invasive nature. Manual interpretation of EEG signals for detection of driver fatigue is impossible, so an automatic detection of driver fatigue from EEG signals should be provided. One of the problems regarding the automatic detection of driver fatigue is extraction and selection of discriminative features witch generally leads to computational complexity. This paper prepares a new approach to automatic classifying 2 stages of driver fatigue from 6 active regions of EEG signals. In the proposed method, directly apply the raw EEG signal to convolutional neural network-long short time memory (CNN-LSTM) network, without involving feature extraction/selection. This is a challenging process in previous literature. The proposed network architecture includes 7 convolutional layers with 3 LSTM layers followed by 2 fully connected layers. The LSTM network in a fusion with the CNN network has been used to increase stability and reduce oscillation. The simulation results of the proposed method for classifying 2 stages of driver fatigue for 6 active regions A, B, C, D, E (based single-channel) and F show the accuracy of 99.23%, 97.55%, 98.00%, 97.26%, 98.78%, 93.77% and Cohen’s Kappa coefficient of 0.98, 0.96, 0.97, 0.96, 0.98 and 0.92 respectively. Furthermore, comparing the obtained results with the previous methods reveals the performance improvement of the proposed driver fatigue detection in terms of accuracy. According to the high accuracy of the proposed single-channel (region E) method, it can be used for the design of automatic detection of driver fatigue systems with high speed and accuracy.
    Keywords: EEG, Driver fatigue, CNN, LSTM
  • Khosro Rezaee *, Fardin Ghaderi, Hamed Taheri Gorji, Javad Haddadnia Pages 195-208
    In modern prostheses, accurate processing of surface electromyogram (sEMG) signals has a significant effect on optimal muscle control. Although these signals are useful for diagnosing neuromuscular diseases, controlling prosthetic devices and detecting hand movements, non-robustness of EMG signal-based recognition will give rise to various movement disorders. In this paper, we present an optimal approach to classify EMG signals for hand gesture and movement recognition, whose purpose is to be used as an efficient method of diagnosing neuromuscular diseases, determining the type of treatment and physiotherapy. The main assumption of this study is to improve the accuracy of recognition and therefore, we proposed a novel hand gesture and movement recognition model consists of three steps: (1) EMG signal features extraction based on time-frequency domain and fractal dimension features; (2) feature selection by soft ensembling of three procedures in which includes two sample T-tests, entropy and common wrapper feature reduction, and (3) classification based on kernel parameters optimization of SVM classifier by using Gases Brownian Motion Optimization (GBMO) algorithm. Two UC2018 DualMyo and UCI datasets have been considered to evaluate the proposed model. The first dataset is used to classify eight hand gestures and the second dataset is employed for the classification of six types of movement. The experiment results and statistical tests reveal that the designed approach has desirable performance with an average accuracy of above 98% in both datasets. Contrary to similar methods that perform classifications in finite classes with high error rates, the integrated method has satisfactory accuracy, robustness and reliability. Not only the proposed method contributes to the design of prostheses, but also provides effective outcomes for rehabilitation applications and clinical diagnosis processes.
    Keywords: Electromyogram, Hand gesture, Hand movement, fractal dimension, Soft ensembling, Optimal classifier
  • Sobhan Sheykhivand, Zohreh Mousavi, Tohid Yousefi Rezaii * Pages 209-220
    Using a smart method to automatically detect different stages of epilepsy in medical applications, to reduce the workload of physicians in analyzing epilepsy data by visual inspection is one of the major challenges in recent years. One of the problems of automatic identification of different stages of epilepsy is extraction of desirable features which can make the most distinction between different stages of epilepsy. The process of finding the proper features is generally time consuming. This study presents a new approach for the automatic identification of different epileptic stages. In this paper, a sparse represantion-based classification (SRC) with proposed dictionary learning is used to automatically identify the different stages of epilepsy using the EEG signal. The proposed method achieves 100% accuracy, sensitivity and specificity in 8 out of 9 scenarios. Also the proposed algorithm is resistant to Gaussian noise up to 0 decibels. The results show that using the proposed algorithm to identify different epileptic stages has a higher success rate than other similar methods.
    Keywords: EEG, Epilepsy, Seizure, Sparse Representation-based Classification, Dictionary Learning
  • Aref Einizade Pages 221-233

    The brain electrical signal has been widely used in clinical and academic research, due to its ease of recording, non-invasiveness, and precision. One of the applications can be emotion recognition from the brain's electrical signal. Generally, two types of parameters (Valence and Arousal) are used to determine the type of emotion, which, in turn, indicate "positive or negative" and "level of extroversion or excitement" for a specific emotion. The significance of emotion is determined by the effects of this phenomenon on daily tasks, especially in cases where the person is confronted with activities that require careful attention and concentration. In the emotion recognition problem, firstly, using proper emotion stimuli, different emotions are created for the subjects under study and the brain signals corresponding to each stimulus are recorded. The two main steps for solving the emotion recognition problem are extracting suitable features and using appropriate classification or regression methods. In previous studies, different visual and auditory have been used, and various linear and nonlinear features and classifiers have been investigated. In this paper, the main goal was the improvement of linear regression algorithms to estimate the criteria for recognizing human emotions more efficiently. For this purpose, we proposed a new algorithm that uses the sparseness of the mixing vector along with the linear regression cost function. The effectiveness of the proposed algorithm on simulated data has been investigated and its superiority to linear regression algorithms such as PLS, LASSO,, SOPLS and Ridge was shown. Also, to apply the proposed algorithm on EEG data corresponding to emotion recognition, the DEAP dataset was used, and the AR coefficients were extracted from the EEG signals. The results obtained from the proposed algorithm were compared with those of the other linear regression algorithms, which in total showed the relative superiority of the proposed method.

    Keywords: EEG signal, Emotion Recognition, linear regression, PLS regression, Sparse coefficients, Valence, arousal
  • Hessam Ahmadi, Emadoddin Fatemizadeh *, Alimotie Nasrabadi Pages 235-249

    Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a non-invasive neuroimaging technique for analyzing the brain functions through low-frequency fluctuations called the Blood-Oxygen-Level-Dependent (BOLD) signals. Measurement of the functional connectivity in brain networks is usually done by the fMRI time-series through Pearson Correlation Coefficients (PCC). As the PCC shows linear dependencies, in this study, non-linear relationships in the fMRI signals of the patients with Alzheimer's Disease (AD) were investigated using the kernel trick method. Kernel trick approach maps the input information into a higher dimension space and implementing the linear calculations in a new space that is proportionate to the non-linear relationships in the primary space. After generating the weighted undirected brain graphs based on the Automated Anatomical Labeling (AAL) atlas, different kernel functions with different parameters were applied. Then the graph global measures including degree, strength, small-worldness, modularity, and efficiencies features were computed and the non-parametric permutation test was performed. According to the results, the kernel trick method showed more significant differences with AD and healthy subjects in comparison with the simple PCC and it could be because of the non-linear correlations that are not captured by the PCC. Among different kernel functions, the Polynomial function had the best performance. Applying this kernel, the classification was done by the Support Vector Machine (SVM) classifier. The achieved accuracy was equal to 98.68±0.79%. The Occipital and Temporal lobes and also the Default Mode Network (DMN) were analyzed and the kernel trick method showed more significant differences in all of them. It is worthwhile to mention that the right and left Angular area of DMN showed no significant changes in none of the methods and it could be concluded that the AD does not affect this area effectively.

    Keywords: fMRI, Functional Connectivity, Alzheimer’s Disease, Graph Theory, Kernel trick
  • Ghazaleh Soleimani, Mehrdad Saviz *, Farzad Towhidkhah, Hamed Ekhtiari Pages 251-266

    Transcranial direct current stimulation (tDCS) is the most-used non-invasive brain stimulation method. However, the main challenge in tDCS studies is its heterogeneity and large inter-individual variability in response. Brain anatomy, that varies from person to person, can change electric field distribution patterns in the brain and should be considered as a source of variation. Previous findings support that tDCS-induced EFs affect brain activity and ultimately change behavioral outcomes. Nonetheless, the exact relationship between EFs and brain activity alterations has not yet been investigated. In this randomized double-blinded sham-controlled crossover study, 14 subjects with methamphetamine use disorders were recruited and tDCS with 2 mA current intensity was applied over the dorsolateral prefrontal cortex. Each subject participated in two sessions for sham or real stimulation with at least a 1-week washout period. In each session, structural and functional MRI during a cue-induced craving task were collected immediately before and after tDCS. Individualized computational head models were simulated based on structural MR images and finite element methods. Group-level analysis of the models showed inter-individual variability across the subjects with maximum electric field intensity in frontal pole (0.3424±0.07). Furthermore, functional data, based on a drug minus neutral contrast, showed that real versus sham stimulation decreased brain activity in superior temporal gyrus and posterior cingulate cortex (p < 0.001). However, we did not find a significant correlation between induced EFs and brain activity alterations. In sum, in this study, we suggested a pipeline for integrating electric fields with functional neuroimaging data to bring new insights into the tDCS mechanism of action and future studies are required to establish, or to refute, this conclusion.

    Keywords: Addiction, Brain Activity, Computational Head Models, Transcranial Direct Current Stimulation