Ανάλυση και επεξεργασία σακκαδικών κινήσεων σε οφθαλμικά σήματα υγιών ατόμων

Abstract

The primary purpose of this PhD thesis is the research, development and presentation of advanced signal processing techniques for the identification of different types of eye movements. An introduction on the data acquisition that used in this thesis is performed, as well as the processing techniques focusing on the treatment of oculomotor signals. In this thesis, a methodological scheme for identifying distinct patterns of oculomotor behavior such as saccades, microsaccades, blinks and fixations from time series of eye’s angular displacement is presented. The first step of the proposed methodology involves signal detrending for artifacts removal and estimation of eye’s angular velocity. Then, feature vectors from fourteen first-order statistical features are formed from each angular displacement and velocity signal using sliding, fixed- length time windows. The obtained feature vectors are used for training and testing three artificial neural network classifiers, connected in cascade. The selection of suitable characteristics was tested by applying widely used algorithms in existing literature. Also, a methodology based on the Largest Lyapunov Exponent and the logarithm of the divergence of the points is performed for the discrimination of the eye movements. Both of the above methods result in the discrimination of the onset and offset of the saccades and blinks. Having these points, the intersaccade intervals (ISIs) were calculated and classified with supervised and unsupervised methods resulting to two clusters: “short” ISIs and “long” ISIs. The stochastic process of the production of saccades during fixation tasks was studied by means of Markov models. Two patterns were identified during fixation tasks, the first is an attractor in “short” ISIs and the second in “long” ISIs.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση, η ανάπτυξη και η παρουσίαση τεχνικών ανάλυσης οφθαλμικών κινήσεων, χρησιμοποιώντας εξελιγμένες τεχνικές επεξεργασίας σήματος. Αρχικά, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο σύστημα της όρασης και στις τεχνικές καταγραφής της οφθαλμικής κίνησης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η διαδικασία συλλογής των οφθαλμικών δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή, καθώς και η επεξεργασία αυτών με διαθέσιμες τεχνικές επεξεργασίας σημάτων. Η έρευνα επικεντρώθηκε σε τεχνικές αναγνώρισης των διαφόρων οφθαλμικών κινήσεων όπως σακκαδικές, μικροσακκαδικές, βλεφαρισμοί και σημεία προσήλωσης από οφθαλμικά σήματα. Το πρώτο βήμα της προτεινόμενης μεθοδολογίας είναι η ομαλοποίηση του σήματος με την αφαίρεση των γραμμικών τάσεων και την αποθορυβοποίηση αυτού. Στη συνέχεια, ο υπολογισμός της γωνιακής ταχύτητας και η εξαγωγή χαρακτηριστικών από το ομαλοποιημένο σήμα όπως και από αυτό της ταχύτητας υλοποιείται με την εφαρμογή δύο κυλιόμενων παραθύρων. Τα εξαγόμενα χαρακτηριστικά εισήχθησαν σε μία αλληλουχία τριών νευρωνικών δικτύων για την εκπαίδευση και τον έλεγχο αυτών. Η ευαισθησία και η ακρίβεια της αναγνώρισης των τεσσάρων τύπων οφθαλμικών κινήσεων με χρήση αυτών των χαρακτηριστικών αυτών ήταν πάνω από 95,5% και 95,9%, αντίστοιχα. Η επιλογή των κατάλληλων χαρακτηριστικών εξετάστηκε με εφαρμογή ευρέως διαδεδομένων αλγορίθμων στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Όσον αφορά την ανίχνευση και αναγνώριση των οφθαλμικών κινήσεων εκτός από την εφαρμογή των Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων, μία νέα μέθοδος αναπτύχθηκε με χρήση του μέγιστου εκθέτη Lyapunov σε συνδυασμό με τον λογάριθμο των αποστάσεων των κοντινότερων γειτόνων του σημείου του σήματος. Η ευαισθησία της μεθόδου στην ανίχνευση των σακκαδικών ήταν 97,1% και η ακρίβεια 98,3%, ενώ η ευαισθησία της μεθόδου για την ανίχνευση των βλεφαρισμών ήταν 98,0% και η ακρίβεια 96,9%. Το απόλυτο μέσο σφάλμα της ανίχνευσης της έναρξης και του τερματισμού κάθε οφθαλμικής κίνησης ήταν κάτω από 0,018 δευτερόλεπτα. Η μέθοδος αυτή δεν απαιτεί προηγούμενη γνώση της ύπαρξης σακκαδικών κινήσεων και βλεφαρισμών. Οι δύο αυτές μέθοδοι πέραν της ανίχνευσης των οφθαλμικών κινήσεων καταλήγουν και στον εντοπισμό των σημείων έναρξης και τερματισμού αυτών. Έχοντας λοιπόν εντοπίσει τα σημεία έναρξης των σακκαδικών κινήσεων, τα διαστήματα μεταξύ διαδοχικών σημείων έναρξης υπολογίστηκαν. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι διαχωρισμού ομάδων, με και χωρίς επίβλεψη, καταλήγοντας σε δύο ομάδες. H στοχαστικότητα των ενδιάμεσων διαστημάτων των σακκαδικών οφθαλμικών κινήσεων μελετήθηκε με χρήση Μαρκοβιανών Μοντέλων ενώ αναγνωρίστικε το πρότυπο δύο καταστάσεων. Κατά τη διάρκεια της προσήλωσης οι σακκαδικές οφθαλμικές κινήσεις μπορούν να εμφανιστούν με δύο τρόπους, πρώτον κατά ριπές με μικρά ενδιάμεσα διαστήματα ή σε χρονικά διαστήματα μεγαλύτερα του ενός δευτερολέπτου. Γίνεται λοιπόν ξεκάθαρο με τη χρήση Μαρκοβιανών Μοντέλων ότι δύο ενδοφαινότυποι υφίστανται κατά τη διάρκεια προσήλωσης.