改进的BP神经网络在运动想象脑电分类研究中的应用

传统BP神经网络算法由于自身结构设置导致反馈调节能力不甚理想,在运动想象（MI）脑电信号多分类问题上的鲁棒性与识别性能提升上还有待进一步优化。本文研究并应用了基于粒子群算法（PSO）与蝙蝠算法（BA）的改进BP神经网络,经过初始编码序列寻优实现对原始BP神经网络的权值与阈值的更新,进而提升BP算法在MI脑电信号中的分类识别能力。对08年BCI竞赛数据MI脑电信号的包络幅值特征进行四分类,平均结果为96.25%;实验室采集的MI脑电数据作进一步验证,二分类准确率为89.25%。实验结果表明BA-BP模型分类精度相较于PSO-BP方法提高了约24%,迭代效率提升了约50%,一定程度上抑制BP神经网络算法局部最优的出现,为脑电信号的多分类识别问题解决提供了一种新的途径。     

LM算法在神经网络脑电信号分类中的研究

在脑机接口(BCI)中,脑电信号(EEG)的特征提取和分类识别可以通过多层前馈神经网络的大量学习来实现,但是基于误差反向传播的BP神经网络标准算法收敛速度慢,在训练中效率不高,分类正确率也很有限。针对这些问题,文中提出使用一种快速稳定的Levenberg-Marquardt算法来代替BP算法进行神经网络的学习训练,并利用BCI 2008竞赛的Graz数据集B进行了对左右手想象运动脑电信号分类的MATLAB仿真实验。该方法使得脑电信号分类的正确率达到87.1%,比BP算法的正确率78.2%要高,并且具有更好的收敛性。该算法为脑电信号的分类提供了有效的手段。     

基于多特征和BP神经网络的脑-机接口研究

研究了一种基于运动想象识别的脑-机接口(BCI)系统,通过提取想象过程中的脑电信号(EEG)中Alpha波特征,采用多特征分类的方法,以提高脑-机接口系统运动想象识别的正确率。针对脑电信号单特征分类精确度低、耗时长等缺点,采用自回归模型法、统计特征提取和频域分析的方法对Alpha波提取多个特征值,利用BP神经网络进行分类,对运动想象进行识别。通过实验验证了其识别率较高,取得了预期的效果,证明了多特征融合结合BP神经网络运用于脑机接口系统的可行性。     

基于样本熵和模式识别的脑电信号识别算法研究

脑-机接口BCI是一种实现人脑和外部设备通信的新兴技术。基于时频特性进行特征提取的传统方法无法体现EEG信号的非线性特征。为了进一步提高分类的准确率,首先采用小波阈值降噪的预处理方法提高了EEG信号的信噪比。然后结合非线性动力学的样本熵参数,对3种想象运动的脑电信号进行特征提取,保留了脑电信号的非线性特征。其中,运动想象MI脑电信号的研究一直都是BCI这一高速发展领域的重点目标。还研究了支持向量机、LVQ神经网络和BP神经网络3种分类器。通过实验结果对比发现,BP神经网络具有较高的识别率,更适用于脑电信号的分类识别。     

想象左右手运动的脑电特征提取

针对脑机接口中脑电信号特征提取的传统方法特征数量多、计算量大及分类正确率低等不足,提出了一种基于时域、频域、空域结合的方法用于提取大脑在想象左右手运动时所产生的事件相关去同步(ERD)和事件相关同步(ERS)信号.分别用独立分量分析(Independent Component Analysis, ICA)和小波变换提取原始脑电信号的空域特征及时频域特征,并用BP(Back Propagation )神经网络对提取的特征进行分类.分类实验结果表明,运用提出的方法提取的想象左右手运动脑电的特征,有效克服了传统的仅基于时频域特征提取方法在描述脑电信号本质特征方面的不足,具有较好的分类正确率.     

基于运动想象脑电信号的导联排序研究

为在脑机接口系统BCI(brain-computer interface)中有效选择导联进行特征提取和分类提供依据,研究了基于运动想象脑电信号的导联排序.根据公共空间模式算法CSP(common spatial pattern)原理提出了一种导联排序方法--基于协方差和主成分分析的排序算法CPSorting(covariance and principal component sorting),并研究了运动想象脑电信号MI(motor imagery)导联的排序情况以及排序靠前的导联对分类的贡献.利用公共空间模式算法对CPSorting排序后导联的数据提取特征,再分别应用支持向量机SVM和K近邻算法KNN进行分类.实验结果表明了该排序算法能有效地对基于运动想象脑电信号的导联进行排序.     

基于PCA融合PSO-SVM的运动想象脑电信号分类方法

运动想象脑电信号的分类识别是当前脑机接口(BCI)技术面临的难点。针对该问题,提出一种融合主成分分析(PCA)和粒子群优化-支撑向量机(PSO-SVM)的运动想象脑电信号分类方法。首先利用PCA对采集到的高维脑电信号进行分析,剔除其中噪声分量并提取三维反应不同脑电信号差异特性的特征向量。然后利用SVM对特征向量进行分类,同时针对SVM分类性能受核参数影响较大的问题,利用PSO算法的全局寻优能力对其进行优化,从而提升SVM的分类性能。最后采用BCI竞赛中所用Graz数据进行实验,结果表明所提的PCA融合PSO-SVM方法可以获得95.3%的分类性能,在低信噪比条件下具有鲁棒性和较高的应用前景。     

基于多参数公共空间频率模式算法的脑电特征提取

针对目前脑机接口中提取明显的脑电信号特征较难以及特征维数较多的缺陷,提出了一种多参数的公共空间频率模式CSSP(Common Spatio-Spectral Pattern)算法对脑电信号进行特征提取。该算法对不同通道的脑电信号采取不同的延时因子,增强了CSSP算法在频域上的滤波效果。在对2003年国际脑机接口BCI(Brain Computer Interface)竞赛的运动想象脑电识别中,利用多参数CSSP特征提取方法结合支持向量机SVM(Support Vector Machine)分类方法,在只提取两维特征的情况下,较公共空间模式CSP(Common Spatial Pattern)与CSSP算法,分类的正确率有了明显提高。同时,多参数的引入使该方法在特征提取上较CSP与CSSP算法具有更强的适用性。     

基于免疫堆叠降噪自编码机网络的运动想象脑电信号识别

针对运动想象(MI)脑电信号识别精度低的实际问题,提出一种结合免疫优化算法和决策机制的堆叠降噪自编码机网络(ISDAE).ISDAE模型通过多层DAE对MI脑电信号分层提取最优特征向量,再通过最后一层神经网络(NN)对所得特征向量进行识别;同时,添加决策机制,并结合免疫优化算法对模型进行参数寻优,最终得到识别准确率更高的ISDAE脑电信号识别模型.实验结果表明,所提出的ISDAE模型对粗糙的脑电数据具有强大的特征学习能力和较高的MI脑电信号识别率,可为MI脑电信号的识别提供一种有效的方法.     

小波包熵和BP神经网络在意识任务识别中的应用

探索了小波包熵和BP神经网络在识别左右手想象运动中的作用.采用脑-机接口2003竞赛中Graz科技大学提供的脑电数据,计算C3、C4电极8～16Hz频带脑电信号的小波包熵,将其作为反应想象左右手运动的特征量,用BP神经网络对大脑想象左右手运动任务进行分类,最大分类正确率可达88.57%,与使用线性判别式算法分类结果相比,效果更好.脑电信号小波包熵随时间的变化与事件相关去同步和事件相关同步现象相一致,可在线识别左右手想象运动,为大脑运动意识任务的特征提取及肢残患者的临床康复提供了新思路.     

运动想象脑电信号特征提取与分类算法研究

针对运动想象脑电信号特征提取困难,分类正确率低的问题,提出了利用小波熵进行特征提取并采用支持向量机（SVM）来分类的算法。计算运动想象脑电信号的功率,通过理论分析选择小波包尺度,对信号功率进行小波包分解并计算其小波包熵（WPE）,提取C3、C4导联的小波包熵插值组成特征向量,将特征向量作为分类器的输入送入支持向量机进行分类。采用国际BCI竞赛2003中的Graz数据进行验证,算法的最高分类正确率达97.56%。算法特征向量维数低、数据量小、分类正确率高,对运动想象脑电信号特征提取及分类的任务可以提供参考方法。     

视觉引导下的运动执行与运动想象EEG时频特征对比分析

近年来基于运动想象(Motor imagery,MI)的脑-机接口(Brain-computer interface,BCI)技术迅速发展,广泛运用于各个领域.为了比较运动执行(Motor execution,ME)与MI脑电活动的差异,本文提出一种基于脑电信号(Electroencephalogram,EEG)时频域...     

四类运动想象任务的脑电特征分析及分类

对多通道的四类运动想象脑电进行了研究.提出了采用表面拉普拉斯对多通道脑电进行预处理,消除各导联之间的相关性,提高信号的信噪比.实验证明表面拉普拉斯对分类正确率的提高有极大的帮助.然后使用OVR-CSP(One Versus the Rest Common Spatial Patterns)的方法,对四类运动想象任务的脑电信号进行特征提取.最后,应用设计的BP神经网络对提取的特征数据进行了分类,取得了较高的分类正确率.对基于不同频带脑电特征的分类情况进行了分析比较,得出了一些有参考价值的结论.     

免疫多域特征融合的多核学习SVM运动想象脑电信号分类

针对多通道四类运动想象(Motor imagery, MI)脑电信号(Electroencephalography, EEG)的分类问题, 提出免疫多域特征融合的多核学习SVM (Support vector machine)运动想象脑电信号分类算法.首先, 通过离散小波变换(Discrete wavelet transform, DWT)提取脑电信号的时频域特征, 并利用一对多公共空间模式(One versus the rest common spatial patterns, OVR-CSP)提取脑电信号的空域特征, 融合时频空域特征形成特征向量.其次, 利用多核学习支持向量机(Multiple kernel learning support vector machine, MKL-SVM)对提取的特征向量进行分类.最后, 利用免疫遗传算法(Immune genetic algorithm, IGA)对模型的相关参数进行优化, 得到识别率更高的脑电信号分类模型.采用BCI2005desc-Ⅲa数据集进行实验验证, 对比结果表明, 本文所提出的分类模型有效地解决了传统单域特征提取算法特征单一、信息描述不足的问题, 更准确地表达了不同受试者个性化的多域特征, 取得了94.21%的识别率, 优于使用相同数据集的其他方法.     

基于样本熵的运动想象分类研究

提出了基于脑电的样本熵特征进行运动想象分类的思想,分析了左右手运动想象时感觉运动皮层的脑电信号样本熵及其动态变化规律．结果表明,样本熵能够较好地反映左右手运动想象时脑电特征的变化,具有明确的生理意义．在此基础上,利用Fisher线性分类器对基于样本熵的左右手运动想象进行了动态分类,得到的平均最大分类正确率达到87.8%．最后,提出了一种样本熵的快速算法,其计算量小、速度快,满足BCI实时系统要求．     

融合运动想象脑电与眼电信号的机械臂控制系统开发

脑机接口(brain computer interface, BCI)旨在通过脑电信号与外部设备通信,以实现对外部设备的控制。针对目前脑机接口系统中混合多种复杂生理电信号,并且输出控制指令较少的问题,本文提出融合运动想象(motor imagery, MI)脑电与眼电信号方法扩充控制指令的轻量级机械臂控制系统。该系统分阶段融合脑电和眼电信号两种生物信号,使用双次眼电作为任务开关,运动想象脑电信号控制机械臂运动,单次眼电控制阶段切换,实现了二分类运动想象生成多种控制指令,完成了对机械臂的连续控制。其中运动想象脑电信号使用提升小波变换(lifting wavelet transform, LWT)和共空间模式(common spatial pattern, CSP)结合的方法提取特征,并采用支持向量机(support vector machines, SVM)进行分类;眼电信号通过分析无意识眼电和有意识眼电的峰值来设置阈值进行区分。为了验证系统的可行性,设计了一项脑控机械臂自主服药实验,通过在线实验测试,被试通过使用脑电信号和眼电信号实现了机械臂控制,并完成了服药流程,有利于进一步推广脑机接口技术的实际应用。     

基于多元变分模态分解的脑电多域特征提取方法

为提高运动想象脑电信号特征的区分性,提出一种基于多元变分模态分解(MVMD)的多域特征结合脑电特征提取方法。首先利用MVMD对原始脑电多通道数据进行自适应分解,然后从分解得到的固有模态函数(IMF)分量提取信号的时域特征以及非线性动力学特征,同时将IMF分量合并构造新的信号矩阵,并采用共空间模式(CSP)法对重构信号提取空间特征,进行时域、非线性动力学以及空域特征的结合,最后通过支持向量机(ＳＶＭ)对此特征集分类,所提方法在BCI Competition II Dataset III数据集上达到了89.64%的分类准确率,与现有的方法比较,验证了所提方法的有效性。     

多任务运动想象脑电特征的融合分类研究

针对运动想象脑-机交互任务模式单一、识别精度低、实用性较差等问题,采用改进的共空间模式（CSP）的特征提取方法,并利用支持向量机（SVM）与CSP融合分类方法对多类任务运动想象脑电特征进行分类识别。首先,选择特定导联上的脑电信号进行小波分解与重构,去除冗余信息;其次,利用特征参数做差的方法,得到较为明显的脑电特征;最后,通过SVM融合CSP的分类模式,对脑电特征进行多任务分类。利用BCI竞赛数据,对左手,右手,舌和脚四类运动想象任务的脑电进行识别。结果表明：分类正确率最高达到90.9%,平均正确率为86.8%,Kappa系数为0.8867,信息传输速率可达0.68 bit/trial,能够有效的获得脑电特征并较好的实现多任务运动想象脑电识别。     

基于神经网络集成的思维脑电信号分类方法

提出基于神经网络集成算法的思维脑电信号分类方法,采用BP神经网络为分类器,对用AR参数提取的思维脑电特征进行分类。为进一步提高BP神经网络的分类性能,采用Bagging算法对BP神经网络分类器进行加权投票,实验表明,提出的方法具有很好的分类效果。     

四类运动想象任务的脑电特征分析及分类

对多通道的四类运动想象脑电进行了研究。提出了采用表面拉普拉斯对多通道脑电进行预处理,消除各导联之间的相关性,提高信号的信噪比。实验证明表面拉普拉斯对分类正确率的提高有极大的帮助。然后使用OVR-CSP（One Versus the Rest Common Spatial Patterns）的方法,对四类运动想象任务的脑电信号进行特征提取。最后,应用设计的BP神经网络对提取的特征数据进行了分类,取得了较高的分类正确率。对基于不同频带脑电特征的分类情况进行了分析比较,得出了一些有参考价值的结论。