Application of Neuro-Fuzzy system to solve Traveling Salesman Problem

This paper presents the application of adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) in solving the traveling salesman problem. Takagi-Sugeno-Kang neuro-fuzzy architecture model is used for this purpose. TSP, although, simple to describ

Filter Bank Common Spatial Pattern Algorithm on BCI Competition IV Datasets 2a and 2b

The Common Spatial Pattern (CSP) algorithm is an effective and popular method for classifying 2-class motor imagery electroencephalogram (EEG) data, but its effectiveness depends on the subject-specific frequency band. This paper presents the Filter Bank Common Spatial Pattern (FBCSP) algorithm to optimize the subject-specific frequency band for CSP on Datasets 2a and 2b of the Brain-Computer Interface (BCI) Competition IV. Dataset 2a comprised 4 classes of 22 channels EEG data from 9 subjects, and Dataset 2b comprised 2 classes of 3 bipolar channels EEG data from 9 subjects. Multi-class extensions to FBCSP are also presented to handle the 4-class EEG data in Dataset 2a, namely, Divide-and-Conquer (DC), Pair-Wise (PW), and One-Versus-Rest (OVR) approaches. Two feature selection algorithms are also presented to select discriminative CSP features on Dataset 2b, namely, the Mutual Information-based Best Individual Feature (MIBIF) algorithm, and the Mutual Information-based Rough Set Reduction (MIRSR) algorithm. The single-trial classification accuracies were presented using 10 × 10-fold cross-validations on the training data and session-to-session transfer on the evaluation data from both datasets. Disclosure of the test data labels after the BCI Competition IV showed that the FBCSP algorithm performed relatively the best among the other submitted algorithms and yielded a mean kappa value of 0.569 and 0.600 across all subjects in Datasets 2a and 2b respectively

Exploring the ability of stroke survivors in using the contralesional hemisphere to control a brain-computer interface

Brain-computer interfaces (BCIs) have recently been shown to be clinically effective as a novel method of stroke rehabilitation. In many BCI-based studies, the activation of the ipsilesional hemisphere was considered a key factor required for motor recovery after stroke. However, emerging evidence suggests that the contralesional hemisphere also plays a role in motor function rehabilitation. The objective of this study is to investigate the effectiveness of the BCI in detecting motor imagery of the affected hand from contralesional hemisphere. We analyzed a large EEG dataset from 136 stroke patients who performed motor imagery of their stroke-impaired hand. BCI features were extracted from channels covering either the ipsilesional, contralesional or bilateral hemisphere, and the offline BCI accuracy was computed using 10 × 10-fold cross-validations. Our results showed that most stroke patients can operate the BCI using either their contralesional or ipsilesional hemisphere. Those with the ipsilesional BCI accuracy of less than 60% had significantly higher motor impairments than those with the ipsilesional BCI accuracy above 80%. Interestingly, those with the ipsilesional BCI accuracy of less than 60% achieved a significantly higher contralesional BCI accuracy, whereas those with the ipsilesional BCI accuracy more than 80% had significantly poorer contralesional BCI accuracy. This study suggests that contralesional BCI may be a useful approach for those with a high motor impairment who cannot accurately generate signals from ipsilesional hemisphere to effectively operate BCI

Compact and interpretable convolutional neural network architecture for electroencephalogram based motor imagery decoding

Recently, due to the popularity of deep learning, the applicability of deep Neural Networks (DNN) algorithms such as the convolutional neural networks (CNN) has been explored in decoding electroencephalogram (EEG) for Brain-Computer Interface (BCI) applications. This allows decoding of the EEG signals end-to-end, eliminating the tedious process of manually tuning each process in the decoding pipeline. However, the current DNN architectures, consisting of multiple hidden layers and numerous parameters, are not developed for EEG decoding and classification tasks, making them underperform when decoding EEG signals. Apart from this, a DNN is typically treated as a black box and interpreting what the network learns in solving the classification task is difficult, hindering from performing neurophysiological validation of the network. This thesis proposes an improved and compact CNN architecture for motor imagery decoding based on the adaptation of SincNet, which was initially developed for speaker recognition task from the raw audio input. Such adaptation allows for a very compact end-to-end neural network with state-of-the-art (SOTA) performances and enables network interpretability for neurophysiological validation in terms of cortical rhythms and spatial analysis. In order to validate the performance of proposed algorithms, two datasets were used; the first is the publicly available BCI Competition IV dataset 2a, which is often used as a benchmark in validating motor imagery (MI) classification algorithms, and a primary data that was initially collected to study the difference between motor imagery and mental rotation task associated motor imagery (MI+MR) BCI. The latter was also used in this study to test the plausibility of the proposed algorithm in highlighting the differences in cortical rhythms. In both datasets, the proposed Sinc adapted CNN algorithms show competitive decoding performance in comparisons with SOTA CNN models, where up to 87% decoding accuracy was achieved in BCI Competition IV dataset 2a and up to 91% decoding accuracy when using the primary MI+MR data. Such decoding performance was achieved with the lowest number of trainable parameters (26.5% - 34.1% reduction in the number of parameters compared to its non-Sinc counterpart). In addition, it was shown that the proposed architecture performs a cleaner band-pass, highlighting the necessary frequency bands that focus on important cortical rhythms during task execution, thus allowing for the development of the proposed Spatial Filter Visualization algorithm. Such characteristic was crucial for the neurophysiological interpretation of the learned spatial features and was not previously established with the benchmarked SOTA methods

Speech Processes for Brain-Computer Interfaces

Speech interfaces have become widely used and are integrated in many applications and devices. However, speech interfaces require the user to produce intelligible speech, which might be hindered by loud environments, concern to bother bystanders or the general in- ability to produce speech due to disabilities. Decoding a usera s imagined speech instead of actual speech would solve this problem. Such a Brain-Computer Interface (BCI) based on imagined speech would enable fast and natural communication without the need to actually speak out loud. These interfaces could provide a voice to otherwise mute people. This dissertation investigates BCIs based on speech processes using functional Near In- frared Spectroscopy (fNIRS) and Electrocorticography (ECoG), two brain activity imaging modalities on opposing ends of an invasiveness scale. Brain activity data have low signal- to-noise ratio and complex spatio-temporal and spectral coherence. To analyze these data, techniques from the areas of machine learning, neuroscience and Automatic Speech Recog- nition are combined in this dissertation to facilitate robust classification of detailed speech processes while simultaneously illustrating the underlying neural processes. fNIRS is an imaging modality based on cerebral blood flow. It only requires affordable hardware and can be set up within minutes in a day-to-day environment. Therefore, it is ideally suited for convenient user interfaces. However, the hemodynamic processes measured by fNIRS are slow in nature and the technology therefore offers poor temporal resolution. We investigate speech in fNIRS and demonstrate classification of speech processes for BCIs based on fNIRS. ECoG provides ideal signal properties by invasively measuring electrical potentials artifact- free directly on the brain surface. High spatial resolution and temporal resolution down to millisecond sampling provide localized information with accurate enough timing to capture the fast process underlying speech production. This dissertation presents the Brain-to- Text system, which harnesses automatic speech recognition technology to decode a textual representation of continuous speech from ECoG. This could allow to compose messages or to issue commands through a BCI. While the decoding of a textual representation is unparalleled for device control and typing, direct communication is even more natural if the full expressive power of speech - including emphasis and prosody - could be provided. For this purpose, a second system is presented, which directly synthesizes neural signals into audible speech, which could enable conversation with friends and family through a BCI. Up to now, both systems, the Brain-to-Text and synthesis system are operating on audibly produced speech. To bridge the gap to the final frontier of neural prostheses based on imagined speech processes, we investigate the differences between audibly produced and imagined speech and present first results towards BCI from imagined speech processes. This dissertation demonstrates the usage of speech processes as a paradigm for BCI for the first time. Speech processes offer a fast and natural interaction paradigm which will help patients and healthy users alike to communicate with computers and with friends and family efficiently through BCIs

Clasificación de características de electroencefalogramas en sistemas Brain Computer Interface basados en ritmos sensoriomotores

Un interfaz cerebro-máquina (BCI) es un modo de comunicación directa entre el cerebro y un dispositivo externo. En este trabajo fin de máster se ha investigado varios métodos para clasificar las señales cerebrales generadas por el usuario y de este modo interpretar su intención. Para ello, previamente se ha realizado un estudio de las investigaciones en el campo de los BCI en las dos últimas décadas. Este estudio se organiza de acuerdo a la estructura típica de un BCI, que está formada por un bloque de adquisición de las señales cerebrales, un bloque de procesamiento de las señales y otro dedicado al control del dispositivo. En primer lugar, se analizaron las diferentes técnicas que los BCI emplean para adquirir la actividad cerebral y los tipos de señales de control que se pueden encontrar en la misma y que pueden ser moduladas voluntariamente por los usuarios. En segundo lugar, se estudiaron las diferentes técnicas utilizadas para el procesamiento de señales cerebrales. Estas técnicas engloban aquéllas que pretenden extraer la información característica de las señales cerebrales y las que emplean esta información extraída para clasificar las señales con el fin de conocer las intenciones del usuario. Por último, se hizo una revisión de los distintos dispositivos que la comunidad científica ha controlado mediante sistemas basados en BCI. A continuación, se estudiaron diferentes métodos de clasificación aplicados a las señales EEG del conjunto de datos 2b de la competición BCI de 2008. El método ganador de dicha competición se basa en un método derivado de Common Spatial Pattern para la extracción de características y emplea como clasificador Naïve Bayesian Parzen Window (NBPW). En este trabajo se han propuesto cuatro métodos de clasificación de características: análisis discriminante lineal, máquina de soporte vectorial, perceptrón multicapa y red probabilística de Parzen. En el resto de etapas del BCI se han mantenido los métodos empleados por el ganador de la competición. Los resultados indican que los clasificadores propuestos como alternativas al NBPW no proporcionan una mejora significativa del rendimiento. La red probabilística de Parzen y SVM consiguen mejorar el rendimiento en 3.8%, el LDA en 1.9% y el perceptrón multicapa no consigue superar el rendimiento de NBPW. Por otro lado, se estudian también otros aspectos relacionados con la etapa de clasificación como es el post-procesado de las probabilidades a posteriori y el tiempo de procesamiento de los clasificadores. El método de post-procesado mejora necesariamente la clasificación de las señales para todos los sujetos. Sin embargo, si que lo hace en promedio para todos los sujetos de prueba. Por último, se ha estudiado el tiempo de computación que necesitan los diferentes algoritmos de clasificación propuestos. En este punto se ha constatado que el método LDA y la red probabilística de Parzen claramente superan al resto clasificando tardan alrededor de medio segundo para procesar todas las señales de test de un sujeto.Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería TelemáticaMáster en Investigación en Tecnologías de la Información y las Comunicacione

Computational intelligence techniques for missing data imputation

Despite considerable advances in missing data imputation techniques over the last three decades, the problem of missing data remains largely unsolved. Many techniques have emerged in the literature as candidate solutions, including the Expectation Maximisation (EM), and the combination of autoassociative neural networks and genetic algorithms (NN-GA). The merits of both these techniques have been discussed at length in the literature, but have never been compared to each other. This thesis contributes to knowledge by firstly, conducting a comparative study of these two techniques.. The significance of the difference in performance of the methods is presented. Secondly, predictive analysis methods suitable for the missing data problem are presented. The predictive analysis in this problem is aimed at determining if data in question are predictable and hence, to help in choosing the estimation techniques accordingly. Thirdly, a novel treatment of missing data for online condition monitoring problems is presented. An ensemble of three autoencoders together with hybrid Genetic Algorithms (GA) and fast simulated annealing was used to approximate missing data. Several significant insights were deduced from the simulation results. It was deduced that for the problem of missing data using computational intelligence approaches, the choice of optimisation methods plays a significant role in prediction. Although, it was observed that hybrid GA and Fast Simulated Annealing (FSA) can converge to the same search space and to almost the same values they differ significantly in duration. This unique contribution has demonstrated that a particular interest has to be paid to the choice of optimisation techniques and their decision boundaries. iii Another unique contribution of this work was not only to demonstrate that a dynamic programming is applicable in the problem of missing data, but to also show that it is efficient in addressing the problem of missing data. An NN-GA model was built to impute missing data, using the principle of dynamic programing. This approach makes it possible to modularise the problem of missing data, for maximum efficiency. With the advancements in parallel computing, various modules of the problem could be solved by different processors, working together in parallel. Furthermore, a method for imputing missing data in non-stationary time series data that learns incrementally even when there is a concept drift is proposed. This method works by measuring the heteroskedasticity to detect concept drift and explores an online learning technique. New direction for research, where missing data can be estimated for nonstationary applications are opened by the introduction of this novel method. Thus, this thesis has uniquely opened the doors of research to this area. Many other methods need to be developed so that they can be compared to the unique existing approach proposed in this thesis. Another novel technique for dealing with missing data for on-line condition monitoring problem was also presented and studied. The problem of classifying in the presence of missing data was addressed, where no attempts are made to recover the missing values. The problem domain was then extended to regression. The proposed technique performs better than the NN-GA approach, both in accuracy and time efficiency during testing. The advantage of the proposed technique is that it eliminates the need for finding the best estimate of the data, and hence, saves time. Lastly, instead of using complicated techniques to estimate missing values, an imputation approach based on rough sets is explored. Empirical results obtained using both real and synthetic data are given and they provide a valuable and promising insight to the problem of missing data. The work, has significantly confirmed that rough sets can be reliable for missing data estimation in larger and real databases

Classification Methods For Motor Imagery Based Brain Computer Interfaces

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Beyin bilgisayar ara yüzü (BBA), son yıllarda oldukça gelişme sağlayan bir araştırma konusudur. Oyun ekipmanlarından yapay organlara kadar çok çeşitli alanlarda kullanım alanlarına sahip BBA teknolojisinin temel amacı, BBA kullanıcısının beyni ve elektronik bir cihaz arasında herhangi bir çevresel sinir yollarına bağlı olmayan aracısız bir haberleşme kanalı kurmaktır. Motor hareket hayali (MHH), kullanıcının, motor bir hareketi hayal etmesi sırasında alınan beyin sinyallerinden o hareketin tahmin edilmesi esasına dayanan bir BBA yöntemidir. Bağımsız bir BBA türü olması ve pratik olması gibi nedenlerden dolayı, motor hayali çeşitli BBA türleri arasında en popüler olanıdır. Motor hareket hayali sinyalleri beyinin motor korteks olarak adlandırılan, istemli hareketlerden sorumlu bölgesinden elde edilir. Bu sinyallerin alınması için fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI), pozitron emisyon tomografi (PET), Elektrokortikogram (EKoG) ya da Elektroansefalografi (EEG) gibi işaret alma metotları kullanılabilir. Bu sinyal türleri içerisinde pratik, ucuz, hızlı ve girişimsiz bir yöntem olduğundan, genellikle EEG tercih edilir. Popüler olmasına rağmen, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılması oldukça zordur. Bunun temel nedeni ise, düşük uzamsal çözünürlüktür. Düşük uzamsal çözünürlük nedeniyle motor hareket hayali ile ilişkili sinyaller beynin farklı bölgelerinde bulunan başka sinyal kaynakları ile karışır ve bu, elde edilen EEG sinyalinden motor hareket hayali sinyallerinin ortaya çıkarılmasını güçleştirir. Ayrıca motor hareket hayali sinyal karakteristiklerinin kişiden kişiye hatta aynı kişi için zamanla değişebilir olması, sınıf sayısının sınırlı olması, EEG işaretinin durağan olmaması ve deneklerin motor hareketlerin hayal edilmesi konusunda tecrübesiz olması da bu tarz işaretlerin sınıflandırılmasını güçleştiren unsurlardandır. Tezin giriş kısmında BBA hakkında temel bilgiler ve önemli BBA metotlarından bahsedilmiştir. Bu BBA metotları şu şekilde sıralanabilir: i) Durağan görsel uyarılmış potansiyel (Steady state visual evoked potentials) tabanlı BBA, ii) P300 tabanlı BBA, iii) Yavaş kortikal potansiyeller (Slow cortical potentials) tabanlı BBA, iv) Kortex-neron aktivasyon potansiyeli (Cortical-neuronal activation potentials) tabanlı BBA, v) Motor hareket hayali (Motor imagery) tabanlı BBA. Tez çalışması konusu motor hareket hayali olduğu için, MH hakkında detaylı bilgiler verilmiştir. MH sinyallerinin fizyolojik temelleri, sinyal karakteristikleri, MH sinyallerinin işlenmesi sırasında karşılaşılan zorluklar gibi konulara değinilmiştir. Ardından, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılmasına yönelik ayrıntılı bir literatür araştırması sunulmuştur. Motor hareket hayali sırasında, motor korteks bölgesinde olay ilişki senkronizasyon (event related synchronisation, ERS) ve olay ilişkili desenkronizasyon (event related desynchronisation, ERD) olarak adlandırılan güç değişimleri meydana gelir. ERD, belirli bir frekans bandında ölçülen işaretteki güç düşümüne, ERS ise belirli bir frekansta ölçülen işaretteki güç artışına karşılık gelir. Motor hareket hayali sırasında en belirleyici işaret, 8-16 Hz arasındaki µ bandındaki güç düşümüdür. Ayrıca 20-30 Hz arasında da ERS işaretleri motor hareket hayali ile birlikte görülmektedir. Çalışmada motor hareket hayali olarak adlandırılan, kişinin kaslarını hareket ettirmesi ya da ettirmeye niyetlenmesi sırasında beynin motor korteks bölgesinde ortaya çıkan güç değişimlerini analiz eden beyin bilgisayar ara yüzü konusunda mevcut sınıflandırma metotları araştırılmış ve tez çalışmasında yeni metotlar geliştirilmiştir. Bu çalışmada, motor hareket hayali işaretlerinin sınıflandırılması için yeni metotlar geliştirilmiştir. Bu amaçla literatürdeki mevcut metotlar ile beraber, tez kapsamında geliştirilen metotlar sunulmuş ve tüm bu metotların sınıflandırma performansları incelenmiştir. Metotlar kısmında, MH sınıflandırmasına yönelik literatürdeki belli başlı yöntemler anlatılmıştır. Öncelikle, MH sınıflandırmasına yönelik genel bir çerçeve çizilmiş, ardından, her bir işlem adımı detaylı bir biçimde, literatürdeki mevcut yayınlardan bahsedilerek anlatılmıştır. MH sınıflandırmada çok önemli bir uzamsal sınıflandırma metodu olan "Ortak uzamsal örüntüler" (Common Spatial Patterns, CSP) metodu anlatılmış ve CSP metoduna yapılan iyileştirmelerden bahsedilmiştir. Metotlar kısımda, Tezin katkılarından ilki olan "Görev ilişkili & uzamsal düzenlemeli ortak uzamsal örüntüler" (Task Related & Spatially Regulaized Common Spatial Patterns, TR&SR-CSP) isimli çalışma anlatılmıştır. Bu çalışmada düzenlenmiş bir CSP metodu önerilmiştir. Metot motor hareket hayali sinyallerinin beyindeki oluşum noktalarını kullanan bir düzenlenmiş (regularized) CSP metodudur. Bu metotta, uzamsal filtrelerin eğitimi sırasında özel olarak hazırlanmış bir ceza matrisi oluşturma algoritması tanıtılmıştır. Bu ceza matrisi, verilen görevlere ilişkin motor korteksteki konumları göz önünde bulundurarak uzamsal filtrelerin korteks üzerinde bu bölgelere odaklanmasını sağlamıştır. Çalışma sonuçları incelendiğinde, fizyolojik verilerle uyumlu sonuçların elde edildiği gözlemlenir. Çalışma 2014 senesinde biyo-informatik ve biyomedikal mühendisliği uluslar arası konferansı" (IWBBIO) konferansında sunulmuştur. Metotlar kısmında ikinci olarak CSP'nin eksikliklerine değinilerek "Uzamsal filtre ağı" (Spatial Filter Network, SFN) metodu sunulmuştur. Bu metot, bir uzamsal filtre ve bir sınıflandırıcının birlikte optimizasyonunu sağlayan çok katmanlı bir yapıdır. Önerilen yöntem, CSP metodunun iki problemini adresler ve bunlara çözüm arar. Bu problemler, i) CSP metodunun yalnızca sınıflar arası saçılımları iyileştirmesi, buna rağmen, sınıf içi saçılımlar ile ilgilenmemesi, ii)CSP metodunun sınıflandırma performansı ile değil, verilen optimizasyon fonksiyonunu iyileştirmeye çalışmasıdır. SFN ise eğitim kümesindeki her elemanı tek tek ağa sunarak, hem uzamsal filtreyi, hem de sınıflandırıcıyı eğitir. SFN ağının eğitimi için yapay sinir ağlarında kullanılan geriye yayılım yöntemi kullanılmıştır. Bunun için ağa sunulan her eğitim kümesi elemanı için ağın oluşturduğu çıkış incelenmiş ve hem uzamsal filtre ağırlıkları, hem de sınıflandırıcı ağrırlıkları güncellenmiştir. Optimizasyon yöntemi olarak yapay sinir ağlarının eğitiminde kullanılan Levenberg-Marquardt (LM) ve back propogation (BP) metotlarından yararlanılmıştır. Tez içersinde SFN metodunun çalıştırılmasına ve eğitimine yönelik matematiksel denklemler sunulmuştur. SFN metoduna ilişkin yayın, PLoS One isimli dergide yayınlanmıştır. Metotlar kısmında son olarak uzamsal – spektral filtreleme metotlarına değinilmiştir. Bu metotlar hem uzamsal hem de spektral düzlemde optimizasyonlar yapmaktadırlar. CSP basitliği ile beraber güçlü bir metot olmasına karşın, bazı eksiklikleri vardır. Motor hareket hayali tabanlı beyin bilgisayar ara yüzlerinde CSP'nin başarısı büyük oranda ERD (olay tabanlı desenkronizasyon) ve ERS (olay tabanlı senkronizasyon) olarak adlandırılan fizyolojik fenomenlere bağlıdır. Halbuki pratikte ERD'nin bulunduğu frekans bandı kişiden kişiye farklılık gösterir. Bu, pratik bir BCI tasarlarken karşılaşılan en büyük problemlerden biridir. Yakın zamana kadar CSP kullanılırken frekans bandı ya geniş bant kullanılarak tanımsız bırakılmaktaydı ya da manüel ayarlanmaktaydı. Genel olarak, CSP'yi EEG işaretini filtrelemeden ya da uygun olmayan bir frekans bandında filtreleyerek uygulamak düşük bir sınıflandırma başarımı verecektir. Bu durumda yapılacak bir iş, zaman harcayıcı bir araştırmalar ve bazı manüel ayarlamalar ile her bir denek için en iyi frekans bandını bulmak olacaktır. Bu şekilde sınıflandırmanın başarımı artırdığı gösterilmiş olsa da, zaman harcayıcı ve zahmetli bir iştir. Bu nedenle son zamanlarda uzamsal filtrelerin frekans filtreleri ile eş zamanlı optimizasyonuna ilişkin yöntemlerin araştırılması oldukça önem kazanmıştır. Bu nedenlerden dolayı, CSP gibi sadece uzamsal düzlemde çalışan metotlar yerine filtrelerin spektral karakteristiklerinin de otomatik olarak iyileştirilmesi amaçlanıştır. Literatürdeki mevcut spatio-spectral metotlar anlatılmış ve tezin son çıktısı olan "Filtre bankası temelli ortak uzamsal örüntüler" (Filter bank common spatio spectral patterns, FBCSSP) isimli, hem spektral hem de uzamsal düzlemde filtre iyileştirilmesi yapan bir metot geliştirilmiştir. Sunulan metot, çeşitli frekanslarda filtreleme yapan bir filtre bankası ve arka arkaya dizilmiş iki adet CSP katmanından oluşur. İlk CSP katmanı, her bir filtre bankası çıkışını uzamsal olarak filtreler böylece, EEG işareti dar bantlarda uzamsal filtrelenmiş olur. İkinci CSP katmanı ise ilk katmandan gelen uzamsal filtrelenmiş işaretleri alarak en önemli işaretleri ortaya çıkartmaya çalışır. Bu nedenle ikinci katman bir nevi frekans seçimi yapmaktadır. İki CSP katmanı ise spatio-spektral bir filtre yapısı oluşturmuş olur. Sonuçlar incelendiğinde, yüksek sınıflandırma başarımlarına ulaşılabildiği görülmektedir. Sunulan çalışma "Biyo-medikal ve biyo informatik alanlarında bilgi teknolojileri" (ITBAM 2016) isimli konferansta sunulmak üzere kabul almıştır. Çalışma "Bilgisayar bilimlerinde konferans notları" (LNCS) isimli dergide yayınlanacaktır. Sonuçlar kısmında, kullanılan veri kaynaklarından bahsedilmiş, veri kümelerinin özelliklerinden bahsedilmiştir. Daha sonra, sonuçların elde edilmesine yönelik bir çerçeve sunulmuş ve yapılacak değerlendirmeler anlatılmıştır. Ayrıca sonuçlar elde edilirken kullanılan metotlara ilişkin bütün parametre ayarlamaları detaylıca sunulmuştur. Sonuçlar kısmında hem sayısal hem de görsel sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, önerilen metotların başarılı sonuçlar elde ettiği görülmüştür. Literatürdeki diğer metotlara ilişkin sonuçlar ile değerlendirildiğinde, önerilmiş metotlardan elde edilen sınıflandırma performansları ümit vericidir. Önerilen metotların çalışılan veri kümelerinde performansı yukarı çektiği görülmektedir. Sayısal performans değerlendirmesinin yanında ayrıca, önerilen metotların motor hareket hayali fizyolojisi ile uygunluğu elde edilen uzamsal ve spektral filtrelerin analiz edilmesi ile gözlemlenmiştir. Bütün bu sonuçlar önerilen metotların etkili ve başarılı olduğunu göstermektedir.Brain computer interfacing (BCI) is an emerging topic which is applied to several areas from gaming equipment to health assistive devices. BCI technology aims establishing a direct communication pathway between the user's brain and any electronic device. Motor imagery is a BCI methodology in which the user's imagining of moving a limb is detected without any actual physical movement. Among different BCI techniques, motor imagery is the most popular BCI methodology because of its practicality and being an independent BCI method. Generally, electroencephalogram (EEG) is used for acquiring motor imagery signals since it is a practical, cheap, fast and non-invasive technique for analyzing brain signals. However, classification of motor imagery signals is a challenging topic. Poor spatial resolution of EEG signal makes it difficult to clearly extract motor imagery signals directly. Poor spatial resolution causes motor imagery signals to be mixed up with the signals from the signal sources in the brain which are much stronger. In this study, novel methods for classification of motor imagery signals were developed. For this purpose, existing methods and proposed methods were presented and their classification performances were analyzed. In this thesis, firstly, BCI concept and main BCI methodologies were presented. Motor imagery paradigm and physiological sources and main properties of motor imagery signals were described. Then, an extensive literature review about classification of motor imagery signals was exhibited. Next, the state of art method in the motor imagery classification called common spatial patterns (CSP) method was analyzed and then, regularized CSP methods which addresses some drawbacks of CSP were described. Next, the first contribution of this thesis, task related & spatially regularized CSP method was presented as a regularized CSP algorithm. After that, the second contribution of this thesis, a spatial filtering and classification structure named spatial filter network (SFN) method was presented. After presenting the spatial filtering algorithms, spectral and spatial filtering methodologies were presented. In this manner, a spatio-spectral filtering method called filter bank common spatio-spectral patterns (FBCSSP) method was proposed. Before running the proposed methods, datasets used in the study were introduced. Then, selected configurations of the methods were described. Obtained results of the proposed methods of this study are promising. Their performance evaluations were reported along with important methods from the literature. Developed methods increased the classification performance of the given datasets. Also the physiological suitability of the proposed methods was demonstrated by analyzing obtained spatial and spectral filters. Results showed the effectiveness of the proposed methods.DoktoraPh