JNBS
Üsküdar Üniversitesi

ARTICLES

Original Article

The use of deep learning algorithms on eeg based signal analysis

Turkish Title : Elektroensefalografi tabanlı sinyallerin analizinde derin öğrenme algoritmalarının kullanılması

Çağlar Uyulan,Türker Tekin Ergüzel,Nevzat Tarhan
JNBS, 2019, 6(2), p:108-124

DOI : 10.5455/JNBS.1553607558

Conventional machine learning algorithms are widely used in the processing and classification of biomedical data in the literature. However, in recent years, it becomes a necessity to use a multi-layered learning network due to the increase in the resolution and quantity of the data. The concept of deep learning comprises the whole set of applications that separate sub-classes with high performance, especially in the case of the existence of multi-dimensional data and insufficient human-decision making processes. These methods have the ability to examine the inter-departmental interactions of data in depth. Deep learning is superior to conventional machine learning methods because too many observational data are learned based on increasingly complex patterns. In addition, when the data size is enhanced, superiority difference over conventional machine learning methods is remarkably increased.
Electroencephalography (EEG) data can be expressed in high-dimensional, complex and spatial domains. It is suitable for analysis using deep learning-based networks as they have the potential to work with large datasets. Deep learning models developed for the analysis of EEG signals are expected to automate many repetitive cognitive tasks.
This review article covers the general introduction of deep learning architectures used in the field of biomedical and neuroscience, the applications of these architectures on EEG-based analytical tasks, possible difficulties encountered and possible solutions. As a result of a detailed study, it has been seen that deep learning methods extract complex patterns in the clinical or cognitive data and present a strong method to determine the abstract relationships between different types of data. 
This study addresses the needs of deep learning-based applications in clinical practice and neuroscientific research and aims to provide researchers with an overview of the deep learning-based analysis methodology of EEG signals and potential challenges in future research.

Geleneksel makine öğrenimi algoritmaları, literatürdeki biyomedikal verilerin işlenmesi ve sınıflandırılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, son yıllarda, verilerin çözünürlüğünde ve miktarındaki artış nedeniyle çok katmanlı bir öğrenme ağının kullanılması zorunlu hale gelmektedir. Derin öğrenme kavramı, özellikle çok boyutlu verilerin varlığı ve insan karar verme süreçlerinin yetersiz olması durumunda alt-sınıfları yüksek performansla ayıran tüm uygulama grubunu kapsamaktadır. Bu yöntemler, verilerin bölümler arası etkileşimlerini derinlemesine inceleme yeteneğine sahiptir. Derin öğrenme geleneksel makine öğrenme yöntemlerinden üstündür çünkü çok karmaşık gözlemlere dayanan çok fazla gözlemsel veri öğrenilir. Ek olarak, veri boyutu artırıldığında, geleneksel makine öğrenme yöntemlerine göre üstünlük farkı dikkat çekmektedir. Elektroensefalografi (EEG) verileri yüksek boyutlu, karmaşık ve mekansal alanlarda ifade edilebilir. Büyük veri setleriyle çalışma potansiyeline sahip olduklarından dolayı, derin öğrenme tabanlı ağlar kullanılarak yapılan analizler için uygundur. EEG sinyallerinin analizi için geliştirilen derin öğrenme modellerinin, birçok tekrarlayıcı bilişsel görevi otomatikleştirmesi beklenmektedir. Bu derleme makalesinde; biyomedikal ve nörobilim alanında kullanılan derin öğrenme mimarilerinin genel tanıtımı, bu mimarilerin EEG tabanlı analitik görevler üzerindeki uygulamaları, karşılaşılan olası zorluklar ve olası çözümler ele alınmaktadır. Ayrıntılı bir çalışmanın sonucunda, derin öğrenme yöntemlerinin klinik veya bilişsel verilerdeki karmaşık kalıpları çıkardığı ve farklı veri türleri arasındaki soyut ilişkileri saptamak için güçlü bir yöntem sunduğu görülmüştür. Bu çalışma, klinik uygulama ve nörobilimsel araştırmalarda, derin öğrenmeye dayalı uygulamaların gereksinimlerini ele almakta ve araştırmacılara, EEG sinyallerinin derin öğrenme temelli analiz metodolojisine ve gelecekteki araştırmalardaki potansiyel zorluklara genel bir bakış sunmayı amaçlamaktadır.


Original Article

Radiation attenuation properties of human brain regions according to elemental composition in radiological energy range: A monte carlo simulation

Turkish Title : Elementel yapılarına göre radyolojik enerji değerlerinde insan beyninin farklı bölgelerinin radyasyon zayıflatma özellikleri: Monte carlo simülasyonu

Huseyin Ozan Tekin,Turker Tekin Erguzel,Mesut Karahan,Muhsin Konuk,Nevzat Tarhan
JNBS, 2018, 5(1), p:8-12

DOI : 10.5455/JNBS.1521311225

This study aimed to investigate the radiation attenuation properties of seven brain regions namely Frontal, Occipital, Parietal, Temporal cortexes, Hippocampus, Thalamus and Cerebellum in terms of their elemental compositions. Monte Carlo N-Particle Transport Code System-extended (MCNPX) version 2.6.0 (Los Alamos National Lab, USA) general purpose Monte Carlo code has been employed in order to calculate the mass attenuation coefficients of those aforementioned brain regions. A satisfactory agreement has been obtained on the mass attenuation coefficients (µ/ρ) calculated by MCNPX and XCOM for those brain regions under investigation. The results underlined that Cerebellum has the highest mass attenuation coefficients in terms of the radiological energy values. This can be explained by the elemental mass fraction value of Chlorine (Cl) in Cerebellum. It could be deduced that the intensity of diagnostic radiation can be more attenuated in Cerebellum than rest of the brain regions during the brain CT or brain PET examinations. The data from the present paper would be useful for the use of standard simulation geometry and mass attenuation coefficients for medical physics as well as the applications of radiation physics.

Bu çalışma, yedi beyin bölgesi olan Frontal, Occipital, Parietal, Temporal korteksler ve Hipokampus, Thalamus, Cerebellum’da ki radyasyon zayıflama özelliklerinin bölgelerin elementel kompozisyonları açısından araştırılmasını amaçlamıştır. Genel amaçlı Monte Carlo kodu Monte Carlo N-Particle Transport Code System-extended (MCNPX) 2.6.0 sürümü (Los Alamos Ulusal Lab, ABD) , yukarıda bahsedilen beyin bölgelerinin kütle zayıflama katsayılarını hesaplamak için kullanılmıştır. MCNPX ve XCOM tarafından elde edilen ve bahsedilen beyin bölgeleri için hesaplanan kütle zayıflama katsayıları (µ/ρ) üzerinde iyi bir uyum elde edilmiştir. Sonuçlar, Cerebellum’un radyolojik enerji değerlerinde en yüksek kütle zayıflatma katsayılarına sahip olduğunun göstermiştir. Bu durum, Cerebellum’daki Klorun (Cl) elementel kütle fraksiyonu değeri ile açıklanabilir. Tanısal radyasyonun yoğunluğunun beyin BT veya beyin PET taramaları sırasında beyin bölgelerinin geri kalanından daha fazla Cerebellum’da azalacağu düşünülebilir. Bu makaleden elde edilen verilerden standart simülasyon geometrisi ve kütle zayıflama katsayıları medikal fizik ve radyasyon fiziği uygulamalarında yararlı olacaktır.


Original Article

Comparison of Wavelet Families for Mental Task Classification

Turkish Title : Zihinsel Görev Sınıflandırma İçin Dalgacık Dönüşümü Fonksiyonlarının Karşılaştırması

Caglar Uyulan,Turker Tekin Erguzel
JNBS, 2016, 3(2), p:59-64

DOI : 10.5455/JNBS.1454666348

Wavelet theory is a widely used feature extraction method for raw electroencephalogram (EEG) signal processing. The nature of the EEG signal is non-stationary, therefore applying wavelet transform on EEG signals is a valuable process for extraction promising features. On the other hand, determining the proper wavelet family is a challenging step to get the best fitted features for high classification accuracy. In this paper, therefore, we focused on a comparative study of different Discrete Wavelet Transform (DWT) methods to find the most convenient wavelet function of wavelet families for a non-stationary EEG signal analysis to be used to classify mental tasks. For the classification process, four different mental tasks were selected to and we grouped each with another one to set dual tasked sets including all possible combinations. Feature extraction steps are performed using wavelet functions haar, coiflets (order 1), biorthogonal (order 6.8), reverse biorthogonal (order 6.8), daubechies (order 2) and, daubechies (order 4). Later, a specific feature reduction formula is applied to the extracted feature vector. Generated feature vector is then split into train and test data before the classification. Artificial neural network was used for classification of the extracted feature sets. From the result of the repeated analysis for each DWT methods, Coiflets performed relatively better compared to other wavelet families.

Dalgacık dönüşümü, ham EEG (elektroensefalografi) verilerinden öznitelik çıkartma yöntemi olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. EEG sinyalleri doğası gereği durağan değildir, dolayısıyla dalgacık dönüşümü, sınıflandırma performansına katkıda bulunacak özniteliklerin çıkartılması sürecinde oldukça etkili bir yöntemdir. Diğer taraftan, uygun dalgacık fonksiyonunun seçimi de en iyi sınıflandırma performansını elde edebilmek için önem arz etmektedir. Bu sebepten dolayı, bu çalışmada, ayrık dalgacık dönüşümü yöntemlerinin karşılaştırılması üzerinde durarak, zihinsel görevlerin sınıflandırılmasına ilişkin en iyi sınıflandırma performansını gösteren dalgacık fonksiyonunu bulmayı amaçladık. Sınıflandırma süreci için dört farklı zihinsel görev seçildi ve her birinin, diğerleri ile ikili-üçlü kombinasyonları ve tüm durumlara ilişkin karşılaştırılmalı sonuçları elde edildi. Öznitelik çıkartma aşamalarında sırasıyla, haar, coiflets (seviye 1), biortogonal (seviye 6.8), ters biortogonal (seviye 6.8), daubechies (seviye 2) ve daubechies (seviye 4) kullanılmıştır. Sonrasında, elde edilen öznitelik kümesine, öznitelik indirgeme formülü uygulanmış ve elde edilen öznitelik vektörü, eğitim ve test veri kümesi olarak sınıflandırma öncesinde ayrılmıştır. Çıkartılan öznitelik kümeleri, yapay sinir ağı ile sınıflandırılmıştır. Ayrık dalgacık dönüşümü fonksiyonlarından coiflets’in, diğer fonksiyonlara göre daha iyi sonuç verdiği gözlenmiştir


ISSN (Print) 2149-1909
ISSN (Online) 2148-4325

2020 Ağustos ayından itibaren yalnızca İngilizce yayın kabul edilmektedir.