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。     

基于多类运动想象任务的EEG信号分类研究

针对多类运动想象脑电信号个体差异性强和分类正确率比较低的问题,提出了一种时-空-频域相结合的脑电信号分析方法:首先利用小波包对EEG原始信号进行分解,根据EEG信号的频域分布提取出运动想象脑电节律,通过“一对多”共空间模式(CSP)算法对不同运动想象任务的脑电节律进行空间滤波提取特征;然后将特征向量输入到“一对多”模式下的支持向量机(SVM)中,并利用判断决策函数值的方法对SVM的输出结果进行融合;最后通过引入时间窗对脑电信号进行时域滤波,消除运动想象开始和结束时脑电的波动,进一步提高信号信噪比和算法的分类效果;实验结果显示:在时间窗为2 s时,平均最大Kappa系数达到了0.72,比脑机接口竞赛第一名提高了0.15,验证了该算法能够有效减小脑电信号个体差异性影响,提高多类识别正确率。     

CNN实现的运动想象脑电分类及人-机器人交互

基于脑电的脑机交互能帮助肢体运动障碍患者进行日常生活和康复训练,但是,由于脑电信号存在信噪比较低、个体差异性大等问题,导致脑电特征的提取与分类还需要进一步提高准确性和效率.因此,在减少脑电采集通道数目、增加分类数目的前提下,基于卷积神经网络对运动想象中的脑电信号进行分类.首先,基于已有方法进行探索实验,建立由3层卷积层、3层池化层和2层全连接层构成的卷积神经网络;然后针对想象左手、右手、脚的运动和静息态设计与开展了实验,获取了相关脑电数据;之后,利用脑电数据训练出基于卷积神经网络的分类模型,测试结果表明,该模型平均分类识别率达到了82.81%,且高于已有的相关分类算法;最后,将已建立的分类模型应用于运动想象信号的在线分类,设计与开发了脑机交互应用原型系统,驱动人-机器人之间的实时交互,帮助用户利用运动想象控制仿人机器人的抬手、前进等运动状态.进一步的测试结果表明,机器人对用户控制命令的平均识别率达到了80.31%,从而验证了所提方法可以对运动想象脑电数据进行较为精确的实时分类,可以促进脑机接口技术在人-机器人交互中的应用.     

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。     

最优区域共空间模式的运动想象脑电信号分类方法

共空间模式(Common Spatial Pattern,CSP)是脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)中一种有效的特征提取方法,然而传统CSP算法并未考虑在提取前剔除可能会影响其性能的不相关的嘈杂通道信号。所以针对不同对象的通道选择问题,提出了一种最优区域共空间模式(ORCSP)特征提取方法。首先通过欧式距离得到每个通道的附近区域,再根据方差比选择可分性最高的区域,然后采用5折交叉验证对区域内通道数目进行寻优,进而得到区分度最高的区域特征,最后使用支持向量机(SVM)进行分类。所提方法在BCI竞赛数据上进行了实验测试,并与同类型的正则化CSP和局部区域CSP算法进行了对比,在BCI Competition Ⅲ Dataset Ⅳ a数据集上达到了89.78%的平均准确率。实验结果验证了所提出方法的有效性。     

面向运动想象分类任务的任务导向子域对抗迁移网络

运动想象是一种应用前景广泛的脑机接口范式. 在基于脑电的运动想象分类任务中, 由于设备和被试的缘故, 会导致与被试、时间相关的数据分布漂移现象. 这种数据分布漂移会使得分类器分类精度下降. 而迁移学习能很好地解决这种分布漂移现象. 本文提出了一种新的单源域选择算法, 多子域可迁移性估计(multi-subdomain transferability estimation, MSTE)和一种新的迁移方法, 任务导向的子域对抗迁移网络(task-oriented subdomain adversarial transfer network, ToSAN), 用于脑电信号的分类任务. MSTE能评估源域和目标域在时间和类别上的相似性. ToSAN能面向分类任务分解特征, 在与任务相关的特征上进行多个子域对齐, 从而克服分布差异. 在BCI Competition IV 2a和BCI Competition IV 2b上的实验结果表明, ToSAN相比于其他方法在分类准确率上提高了最少2.67%, 8.6%. MSTE和ToSAN的结合在BCI Competition IV 2a和BCI Competition IV 2b数据集上分别达到了81.73%和88.73%的分类准确率, 显著优于所有对比方法.     

多特征融合的运动想象脑电特征提取方法

针对单一特征识别率低、自适应性差等问题,提出一种基于希尔伯特-黄变换（HHT）和共同空间模式（CSP）的特征提取方法HCHT。首先,对原始脑电信号（EEG）进行经验模态分解（EMD）得到固有模态函数（IMF）,并将IMF分量合并成新的信号矩阵;然后,对IMF进行希尔伯特谱分析,得到信号的时-频域特征;接着,对构造的信号矩阵进行进一步的CSP分解,将时-频域特征扩展成时-频-空域特征;最后,通过支持向量机（SVM）对特征集进行分类。在BCI Competition II数据集的实验表明,与HHT时-频域和CSP空域特征的方法相比,所提方法的识别准确率分别提高了7.5、10.3和9.2个百分点,且标准差更小。在智能轮椅平台进行在线实验的结果表明,HCHT能有效提高识别准确率和稳定性。     

基于运动想象的脑电信号特征提取研究

基于运动想象脑电信号的脑-机接口系统在医疗领域具有广阔的应用前景,被应用于运动障碍人士的辅助控制以及脑卒的预后康复。由于运动想象的脑电信号信噪比低、不平稳以及差异性显著,对脑电信号识别带来负面影响。一个有效的特征提取算法能够提高脑-机系统的脑电信号识别率。提出一种多通道的脑电信号特征提取方法,将数据矩阵分解为基矩阵与系数矩阵的乘积,以类间离散度做为性能判据对系数矩阵进行特征提取,提取可分性更高、维数更少的特征。结合脑电信号识别领域常见的分类器在2008年BCI竞赛数据集上进行验证,证明所提方法是有效的。     

基于神经网络的运动想象分类研究

近年来,神经网络的模型不断得到完善,神经网络在运动想象分类任务中的应用越来越广泛,分类准确率不断提高。本文主要对传统的机器学习算法进行介绍与总结,在此基础上对深度学习网络模型的原理及应用进行了概括,主要分析卷积神经网络、生成对抗网络和胶囊网络这几种网络模型的优缺点及应用,并对多种网络模型组合分类或将单一网络模型中的多种特征进行组合分类的发展趋势进行展望,提出目前运动想象分类任务面临的问题及发展趋势。     

运动想象脑电的块选择共空间模式特征提取

共空间模式(CSP)作为一种空间滤波方法已在脑电信号(EEG)的特征提取上得到了广泛应用,而对脑电信号的通道和频带进行合理选择可以有效改善共空间模式特征在运动想象脑机接口(BCI)中的分类性能.针对已有选择方法中未充分考虑通道间差异性的问题,本文提出一种对通道和频带同时进行选择的块选择共空间模式(BS–CSP)特征提取...     

多类运动想象脑电信号特征提取与分类

针对多类运动想象情况下存在的脑电信号识别正确率比较低的问题,提出了一种基于小波包特定频段的小波包方差,小波包熵和共同空间模式相结合的脑电信号特征提取的方法,并将特征向量输入到支持向量机中达到分类的目的;首先选择重要导联的脑电信号,进行特定频段的小波包去噪和分解;其次对通道优化的重要导联的每个通道信号计算小波包方差和小波包熵值作为特征向量;然后对所有重要导联的分解系数重构并进行共同空间模式特征提取;最后结合2种不同导联方式所获取的特征向量作为分类器的输入进行分类;采用BCI2005desc_IIIa中l1b数据进行验证,该算法的分类正确率最高达到88.75%,相对2种单一的提取方法分别提高28.27%和6.55%;结果表明该算法能够有效提取特征向量,进而改善多类识别正确率较低的问题。     

基于CI-HMM的运动想象脑电信号分类

针对隐马尔科夫模型在运动想象脑电信号分类应用中,其独立性假设与脑电信号间相关性的不一致问题,提出一种基于Choquet 模糊积分隐马尔科夫模型的脑电信号分类方法。该模型应用模糊积分的单调性取代了概率测度的可加性,放宽了隐马尔科夫模型的独立性假设。利用重叠滑动窗对脑电信号分段,然后对每段数据提取绝对均值、波长和小波包相对能量特征,构成特征序列用于CI-HMM的训练和分类。选取2008年BCI竞赛Datasets 1的两类运动想象数据进行分类,实验结果表明,该方法有效提高了隐马尔科夫模型方法对运动想象脑电信号分类的性能。     

基于LMD-CSP和随机森林的运动想象脑电信号分类

针对脑电信号具有非平稳性、非线性以及个体差异较大等特点而导致特征提取困难、分类准确率低的问题,提出一种基于LMD-CSP和随机森林(Random Forest,RF)的脑电信号分类方法.首先对脑电信号进行预处理,然后利用局部均值分解(Local Mean Decomposition,LMD)将预处理后的脑电信号分解为多个乘积函数(Product Function,PF)分量,并选出最具判别性的PF分量,再利用共空间模式(Common Spatial Pattern,CSP)分别对选出的PF分量进行特征提取,最后将得到的CSP特征输入随机森林分类器中进行分类识别.实验结果表明,该方法的平均分类准确率高达92.18％,远高于其他方法,证明了该方法的有效性.     

基于改进CSP算法的运动想象脑电信号分类方法

For the problem of low classification accuracy and poor real-time performance during the traditional common spatial patterns (CSP) algorithm for motor imagery EEG signal processing, a new analysis method of CSP EEG signal based on time space frequency domain is put forward. Firstly, the wavelet packet is used to decompose the original signal of EEG, the motor imagery EEG rhythm is extracted according to the frequency distribution of EEG signal, and the spatial features of EEG are extracted by improving CSP algorithm. Then, we introduce the time window to filter the EEG signals, and eliminate the influence of EEG fluctuation at the beginning and end of the motion imagery. Lastly, according to the characteristics of the physiological distribution of EEG signals in the brain cortex, the method based on spindle channel is used to process the EEG signal and analyze computational time of different algorithms and the classification results. The experimental results show that, the running time of the algorithm is 1.562 s, which is 67% shorter than the traditional method, and the average classification accuracy is up to 97.5% when the number of spindle channels is 29 and the time window is 2 s. In the meantime, the results show that the proposed method can effectively improve the classification accuracy and the real-time performance of motor imagery EEG.     

基于CSP和RR的多类运动想象脑电信号的识别分类研究

脑-机接口通过大脑皮层的EEG活动或者大脑里单个神经元活动使得用户可以来控制设备。这方面最具挑战性的问题之一就是如何提高脑电信号的识别精度。本文采用少通道以及共同空间模式-岭回归分析的模式识别方法,并将其应用到四种运动想象脑电的识别分类。首先对原始数据进行有效的预处理,有漂移矫正,滤波,改进的ICA(Independent Component Analysis)去除伪迹;再利用CSP(Common Space Pattern)和HHT(Hibert-Huang Transform)分别对预处理好的数据进行特征提取;最后再将两种算法提取的特征分别进行SVM(Support vector machine),LDA(Linear Discriminant Analysis)和RR(Ridge Regression)进行分类。实验结果证明,共同空间模式-岭回归分析最后的分类效果是最好的,平均分类识别率约为82.93%,数据中9名被试的最高和最低的分类识别率之间的标准差为1.37%。     

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.     

基于人工蜂群优化高斯过程的运动想象脑电信号分类

针对传统的高斯过程采用共轭梯度法确定超参数时对初值有较强依赖性且易陷入局部最优的问题,提出了一种基于人工蜂群优化的高斯过程分类方法,用于脑电信号的模式识别.首先,构建高斯过程模型,选择合适的核函数且确定待优化的参数.然后,选取识别错误率的倒数为适应度函数,使用人工蜂群算法搜索寻找出限定范围内可以取得最优准确率的超参数.最后,采用参数优化后的高斯过程分类器对样本分类.分别采用2008年竞赛数据集BCI Competition Ⅳ Data Set 1和2005年数据集BCI Competition Ⅲ Data Set Ⅳa对所提方法进行验证,并与支持向量机(SVM)、人工蜂群优化的支持向量机(ABC-SVM)、高斯过程分类(GPC)方法进行比较,实验结果表明了所提方法的有效性.