Αυτόματη ανίχνευση ατράκτων του ύπνου με τεχνικές βαθιάς μάθησης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια ολοκλήρωσης των προπτυχιακών σπουδών για το τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. Σκοπός της εργασίας ήταν η ανάπτυξη ενός δικτύου Βαθιάς Μάθησης, το οποίο θα μπορεί να χαρακτηρίσει μια δοθείσα κυματομορφή ως υπνική άτρακτο ή μη-άτρακτο.

Στο Πρώτο Κεφάλαιο γίνεται λόγος για τον εγκέφαλο ως μέρος του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος, καθώς και για το βιοσήμα που παράγει, καταγράφεται και τέλος επεξεργάζεται. Αναφέρεται η διαδικασία του ύπνου και παρουσιάζοντα τα στάδιά του, μαζί με τις χαρακτηριστικές κυματομορφές του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος που συναντιούνται σε αυτόν. Αναλύεται ο τρόπος παραγωγής των υπνικών ατράκτων, τα χαρακτηριστικά που τις διαφοροποιούν από άλλες κυματομορφές και ο ρόλος που επιτελούν.

Στο Δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στην πληθώρα συστημάτων που έχουν ήδη αναπτυχθεί για την ανίχνευση των ατράκτων. Παρουσιάζεται η εφαρμογή των ποικίλων αλγόριθμων που υπάρχουν για την ανίχνευση των ατράκτων (π.χ. Matching Pursuit, Bayesian Algorithm) και ειδικοί δείκτες που εξάγονται από τα χαρακτηριστικά των ατράκτων ως κυματομορφή. Τέλος, παρουσιάζονται συστήματα Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων, υποκατηγορία της Βαθιάς Μάθησης, που εκπαιδεύονται σε δείγματα ατράκτων και μη, αναπτύσσοντας τη δική τους «κρίση» για την κατηγοριοποίηση μιας κυματομορφής ως άτρακτο ή μη.

Στο Τρίτο Κεφάλαιο αναλύεται διεξοδικά η φύση, αρχιτεκτονική και ο ρόλος ενός Τεχνητού Νευρωνικού Δικτύου. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίδεται στην διαδικασία της εκπαίδευσης και του Backpropagation αλγόριθμου. Εξετάζεται λεπτομερώς η παραλλαγή των LSTM νευρώνων, κύριο πεδίο της εργασίας.

Στο Τέταρτο Κεφάλαιο αναλύεται η επεξεργασία που υφίσταται το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα προκειμένου να εξαχθούν οι άτρακτοι και τα αντι-παραδείγματα (μη-άτρακτοι) για την ολοκλήρωση της εκπαίδευσης. Παρουσιάζεται η δομή και αρχιτεκτονική του Τεχνητού Νευρωνικού Δικτύου που αναπτύχθηκε, μαζί με τα αποτελέσματα της εκπαίδευσης.