اعتبارسنجی زمان‌اجرا و اصلاح تصمیم برای دستگاه پزشکی تحریک عصبی پاسخ‌گو با شبکه‌پتری رنگی زمان‌دار و یادگیری تقویتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران.

2 گروه مهندسی کامپیوتر، موسسه آموزش عالی نقش جهان، اصفهان، ایران.

چکیده

پیشرفت‌هایی که امروزه در محاسبات، شبکه و فن‌آوری‌های حسگر انجام شده‌است منجر به توسعه غیرقابل تصور در تجهزات و دستگاه‌های پزشکی گردیده‌است. نمونه‌ای از این دستگاه‌های پزشکی قابل کاشت و پوشیدنی در بدن، دستگاه تحریک عصبی مغز است که برای عملکردهای تشخیصی در بیماری صرع، نظارتی و درمان از آن استفاده می‌شود. در این مقاله، یک مدل زمان اجرا مبتنی بر یادگیری تقویتی برای اعتبارسنجی عملکرد این دستگاه پزشکی، به ویژه در شرایط بحرانی ارائه شده است. رویکرد پیشنهادی با استفاده از حسگرهای مغزی، ساختار اجرایی این دستگاه را در شبکه‌های پتری مدل‌سازی نموده است و با بکارگیری حسگرهای فیزیولوژیکی بدن به عنوان
داده‌های یادگیری اقدام به تصمیم‌گیری تطبیقی و اصلاح شده در زمان اجرا می‌نماید. با توجه به وضعیت فازی و غیرقطعی بدن، مقادیر حسگرها و قوانین اجرایی به صورت فازی شبیه‌سازی شده است که در شرایط اجرایی شبکه پتری بکار گرفته‌شده‌است. در این پژوهش، منظور از اعتبارسنجی زمان اجرا، بررسی تطابق زمان‌اجرای رفتار و تصمیم‌های تولید شده توسط دستگاه با یک مشخصه رسمی قابل اجرا در هر چرخه تصمیم‌گیری است به گونه‌ای که در صورت مشاهده ناسازگاری، خطا در همان حین‌اجرا شناسایی شده و سیاست کنترلی از طریق ساز وکار یادگیری تقویتی و بازخورد فیزیولوژیک تصمیم را اصلاح می‌کند. اعتبارسنجی عملکرد چارچوب پیشنهادی، با اجرای حلقه‌ی زمان اجرا در قالب سناریوهای اجرایی عملیاتی متفاوت ارائه و ارزیابی شده‌است وبا دستیابی به نرخ یادآوری 100 درصد و پوشش تصحیح 100 درصد که نشان دهنده موفقیت در تشخیص و تصحیح خطاها است .

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Runtime Validation and decision making of an Intelligent Wearable Brain Neurostimulation DeviceUsing Timed Colored Petri Nets and Reinforcement Learning

نویسندگان [English]

  • Safa Majed Sharifi 1
  • Negar Majma 2
1 Computer Department, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
2 Computer Department, Naghshejahan Higher Education Institute, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

Advancements in computing, networking, and sensor technologies have led to unprecedented developments in medical equipment and devices. An example of such implantable and wearable medical devices is the brain neurostimulation device, utilized for diagnostic, monitoring, and therapeutic functions in epilepsy. This article presents a runtime model based on reinforcement learning for validating the performance of this medical device, particularly under critical conditions. The proposed approach models the operational structure of the device using brain sensors within Petri nets and employs physiological body sensors as learning data to enable adaptive and refined decision-making during runtime. Given the fuzzy and uncertain nature of the body, sensor values and operational rules are simulated in a fuzzy manner, incorporated into the runtime conditions of the Petri net. In this research, to verify the validity of the execution time, the verification of the time of execution of the behaviour and decisions produced by the device with a formal characteristics in each decision cycle is determined so that in case of consistency, error is identified during execution and control policy through the reinforcement learning mechanism and physiological feedback of the decision. Performance validation of proposed framework is presented and evaluated by running the execution time in the form of different operational scenarios and is considered as an effective step in the design of the next generation of adaptive and intelligent neurostimulation devices by achiving the 100% recall rate and 100% correction coverage.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Intelligent Medical Devices
  • Colored Petri Nets
  • Fuzzy System
  • Runtime Validation
  • Reinforcement Learning