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...     

脑电信号多特征融合与卷积神经网络算法研究

针对脑电信号（electroencephalogram,EEG）运动想象中单一特征无法多维表征信号中的信息导致的分类准确率不高的问题,提出一种基于样本熵和共空间模式特征融合的特征提取算法。算法先对原始脑电信号进行小波包分解,从中选择包含μ和β节律的分量进行重构,然后分别提取重构信号的样本熵和CSP(common spatial pattern,CSP)特征,将两者融合组成新的特征向量,使用所设计的一维卷积神经网络对其进行识别获得分类结果。所提方法在2003年BCI Dataset Ⅲ中获得了91.66%的分类准确率,在2008年BCI Dataset A中获得了85.29%的平均分类准确率。与近年来文献中提出的多特征融合算法相比,准确率提高了7.96个百分点。     

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。     

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。     

融合多尺度自注意力机制的运动想象信号解析

基于运动想象脑电信号的脑机接口（BCI）技术近年来发展迅速,并且与传统方法相比,深度学习取得了具有竞争力的效果。然而如何设计和训练一个端到端网络来充分提取运动想象脑电信号的潜在特征仍然是一个挑战。从脑电的时间和空间特征出发,提出了一个基于注意力机制的多尺度时空自注意力网络模型用于运动想象脑电信号四分类（左手、右手、脚、舌头/休息）。由于运动想象脑电信号的幅值与响应时间因人而异,无法确切确定与运动想象最相关的大脑区域,在空间上使用自注意力机制自动将较高的权重加权到与运动相关的通道,将较低的权重加权到与运动无关的通道来选择最佳通道;在时间上,使用并行多尺度TCN层提取不同尺度下的时间域特征信息,消除时间域上的噪声。多尺度融合模块融合提取的空间和时间域特征,最后输入到特征分类模块进行分类。提出的模型在BCI竞赛数据集IV-2a、IV-2b数据集和HGD数据集上分别达到79.26%、85.90%和96.96%的精度。与现有方法相比,该方法在单被试分类中具有更高的准确率。结果表明,该方法具有较好的性能、鲁棒性和迁移学习能力。     

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LMD和CSP的多域融合脑电信号分类方法

运动想象脑电信号非平稳、非线性和微弱性特征明显,采用传统单一维度特征进行分类时存在识别率低、鲁棒性差的问题。提出一种基于局部均值分解(Local Mean Decomposition, LMD)和共空间模式(Common Spatial Pattern, CSP)的多域融合脑电信号分类方法,采用LMD对运动脑电信号进行自适应分解得到多个乘积分量(Product Function, PF),进而从PF中提取反映不同信号差异特性的12维时-频域特征,将PF作为CSP的多通道数据进行分解,并提取18维空域特征。利用相关向量机(Relevance Vector Machine, RVM)分类器对30维时-频-空域特征进行特征选择和分类识别,在自动确定最优分类特征的同时获得理想的分类结果。基于BCI竞赛数据开展实验,结果表明,所提方法可以获得优于95%的正确分类性能,并且在低信噪比条件下具有较强的噪声稳健性。     

基于卷积注意力机制的运动想象脑电信号识别

针对多类别运动想象脑电信号识别精度不高的问题,提出了一种融合注意力模块的卷积神经网络模型。该模型利用注意力模块充分挖掘脑电信号的通道和空间特征,建立其与识别任务之间的重要程度关系,从而提高运动想象脑电信号的识别准确率。信号经过共空间模式提高信噪比,利用小波变换将信号转换成二维时频图,通过注意力模块中通道和空间两个维度进行特征的调整,以强化有用特征弱化无用特征,使卷积网络充分提取更高层次的抽象特征,并最终执行运动想象任务的识别。分别在BCI竞赛IV Datasets 2a和BCI竞赛III-IIIa数据集上进行了有效性评价,并与卷积神经网络以及其他算法进行了比较。实验结果表明,提出的方法可达到良好的准确率,能够有效提高脑电信号运动想象任务的识别准确率。     

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。     

多通道三维视觉指导运动想象脑电信号特征选择算法

针对基于三维视觉指导的运动想象脑机接口多通道冗余信息较多、分类准确率差的问题,提出了一种基于小波包分解（WPD）—共空间滤波（CSP）—自适应差分进化（ADE）的模式脑电信号特征提取与选择分类方法。首先,对采集的多通道运动想象脑电信号进行WPD变化,划分出精细的子频带;然后,分别将WPD变换后的每个子空间作为CSP的输入,得到对应的特征向量;最后,使用ADE算法对特征向量进行选择,选择出用于分类的最佳特征子集。采用WPD-CSP-ADE模式进行特征提取与选择,较经典的WPD-CSP方法在分类正确率、特征个数方面有着更好的表现。同时,所提算法分类性能明显优于遗传算法、粒子群算法。实验结果表明,WPD-CSP-ADE方法能够有效地提高分类正确率,同时减少了用于分类的特征个数。     

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.     

多类运动想象脑电信号的两级特征提取方法

共同空间模式（Common spatial pattern,CSP）是运动想象脑机接口（Brain-computer interface,BCI）中常用的特征提取方法,但对多类任务的分类正确率却明显低于两类任务.通过引入堆叠降噪自动编码器（Stacked denoising autoencoders,SDA）,提出了一种多类运动想象脑电信号（Electroencephalogram,EEG）的两级特征提取方法.首先利用一对多CSP（One versus rest CSP,OVR-CSP）将脑电信号变换到使信号方差区别最大的低维空间,然后通过SDA网络提取其中可以更好表达类别属性的高层抽象特征,最后使用Softmax分类器进行分类.在对BCI竞赛IV中Data-sets 2a的4类运动想象任务进行的分类实验中,平均Kappa系数达到0.69,表明了所提出的特征提取方法的有效性和鲁棒性.     

下肢外骨骼机器人控制的脑电感知方法研究

将外骨骼机器人技术与BCI系统结合起来,使人体具有了外骨骼机器人的一系列优良特性,同时使外骨骼机器人具备了人体的智能;首先,对外骨骼机器人技术与BCI技术的融合进行了可行性分析,说明了该方法的可行性;其次,通过实验采集了6种想象运动的脑电信号,选取了C3、C4通道的脑电信号,并对其进行了去噪处理;然后,对经过预处理的六种想象运动的脑电信号通过小波变换进行了分解,提取了包括小波分解系数和能量系数的脑电信号小波特征;最后,针对所提取的小波特征,采用了最小二乘支持向量机对这6种想象运动模式进行分类处理。     

基于DTCWT的运动想象脑电特征提取

针对脑电信号采用单一特征识别存在自适应性差和识别率低等问题，提出一种基于双树复小波(DTCWT)的多特征融合的左右手运动想象脑电特征提取方法。对原始脑电信号进行DTCWT变换提取最佳时频段；对所提取的信号频段进行希尔伯特变换与Lempel-Ziv复杂度计算，将得到的时-频域特征与非线性特征组合为特征向量；采用线性判别分析(LDA)完成运动想象任务的分类。实验采用BCI CompetitionⅢ竞赛数据对该方法进行验证，仿真结果表明其识别准确率明显提高，最高可达89.84%。     

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。     

基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法

针对目前运动想象脑电（EEG）信号识别率较低的问题，考虑到脑电信号蕴含着丰富的时频信息，提出一种基于时频域的卷积神经网络（CNN）运动想象脑电信号识别方法。首先，利用短时傅里叶变换（STFT）对脑电信号的相关频带进行预处理，并将多个电极的时频图组合构造出一种二维时频图；然后，针对二维时频图的时频特性，通过一维卷积的方法设计了一种新颖的CNN结构；最后，通过支持向量机（SVM）对CNN提取的特征进行分类。基于BCI数据集的实验结果表明，所提方法的平均识别率为86.5%，优于其他传统运动想象脑电信号识别方法；同时将该方法应用在智能轮椅上，验证了其有效性。     

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.     

基于ELM运动想象脑电信号的分类

针对运动想象脑电信号的分类识别,提出一种基于小波变换和共空间模式滤波的方法进行特征提取。对EEG进行3层小波分解,提取相关层数小波系数的特征量;同时利用共空间模式对EEG进行空间滤波,提取其转换后信号的方差作为特征量,并将这两类特征量进行组合。该方法结合了时频域和空间域的特征信息,可提高分类识别的效果。最后选取BCI2003中Data setⅢ数据作为样本,分别用极限学习机和基于粒子群算法的支持向量机进行分类识别。实验结果表明极限学习机分类学习时间较快,最优识别率为94.2857%,证明了该方法更适用于脑机接口系统。     

基于平移窗运动想象脑电信号活动段提取

为了迅速、准确地识别运动想象的脑电信号,提出了一种基于平移窗的运动想象脑电信号活动段提取方法.该方法对运动想象脑电信号Mu/Beta节律的事件相关同步化/去同步化(ERS/ERD)特征进行检测,提取ERS/ERD特征明显的时段;再利用统计量进行特征提取,通过Classify分类器进行信号分类.利用2003年BCI竞赛d...     

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。