多频带频域深度置信网络脑电特征识别算法

针对DBN（深度置信网络）脑电信号识别率不高的问题,提出了多频带频域深度置信网络（multi-band FDBN）算法进行特征提取.不同频带存在个体性差异,它们对于分类结果的贡献不完全相同,本文利用带通滤波器将原始的脑电信号分成多个频段,再采用FFT（快速傅里叶变换）将时域信号转换为频域信号并作归一化处理,最后将每个频段的频域数据输入DBN进行训练识别.线下实验证明,相比FDBN（频域深度置信网络）算法,多频带FDBN的平均准确率提高了3.25%,且标准差更小,鲁棒性更好.最后,在智能轮椅平台上,利用多频带FDBN算法基于左右手运动想象脑电信号控制轮椅完成了"8"字形路径,证明了该算法在脑电信号特征提取中的有效性.     

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.     

基于脑功能网络和共空间模式分析脑电情绪识别

传统脑网络的情绪分类将聚类系数、平均最短路径等拓扑属性作为分类特征。针对这些属性易受网络连接阈值和特征选择的影响,难以完全表征不同情绪状态下的网络空间拓扑结构差异的问题,提出了一种基于脑网络和共空间模式的脑电情绪识别方法(EEG emotion classification based on common spatial patterns of brain networks topology,EEC-CSP-BNT)。该算法基于互信息在各个子频段内计算电极间的功能连接矩阵,同时利用共空间模式(common spatial pattern,CSP)分析学习空间滤波器,构建分类特征,最后通过分类器(如Fisher线性判别、支持向量机、K最近邻)实现基于脑电的情绪分类。基于DEAP和SEED数据集的实验结果表明,相比于脑网络拓扑属性,EEC-CSP-BNT能有效提取脑网络拓扑结构的分类信息,提高脑电情绪识别性能。     

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.     

基于脑机接口的控制器

为实现大脑与设备的通讯,研究基于脑机接口的控制器．本文研究脑电信号（EEG）的特征提取,实验通过E．Prime心理学软件结合Neuroscan公司生产的64导脑电采集设备获取脑电原始信号,利用小波算法对原始脑电信号进行分析,提取感兴趣的频段小波系数作为特征;分析脑电信号的功率谱,基于Fisher准则设计分类器．本文在研究脑机接口（Brine．ComputerInterface,BCI）的基础上通过想象实现了对运动的控制．以轮椅为实际控制对象,仅仅通过两个电极采集脑电信号,设计制作了控制器,理论验证实验成功的通过想象控制轮椅的四个方向的运动．本文最后还探讨了脑机接口的应用前景．     

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。     

融合共空间模式与脑网络特征的EEG抑郁识别

提出共空间模式算法和脑网络拓扑属性融合的脑电信号（electroencephalography,EEG）特征,结合深度学习模型时序卷积网络（temporal convolution network,TCN）对抑郁组和对照组进行分类。根据相位锁值构建电极通道间相位同步性功能网络,分析不同频段下两种类别的功能连接模式。采用多特征融合方法将共空间模式特征和脑网络拓扑特征结合起来,最后结合Fisher score特征选择方法和分类器依赖结构,得到低维高效的特征子集并应用TCN进行分类。在抑郁数据集上的实验结果验证了所提策略的有效性。     

脑力驱动残疾人轮椅与脑电波图像显示设计

结合嵌入式系统和脑-机接口技术,构建脑力驱动残疾人轮椅系统。首先利用脑电信号(EEG信号)的采集芯片装置TGAM对脑电信号进行采集;其次通过蓝牙模块将TGAM和计算机相连接,将采集到的脑波原始数据传输到计算机上,利用e Sense算法将脑电数据进行量化;然后再通过蓝牙无线连接到Arduino轮椅控制平台,通过I/O控制口实现脑力对轮椅的控制;最后提出采用多语言混合编程的方法实现脑电信号的图像显示,相比单一语言编程的图像显示,多语言混合编程法更好地显示了脑电信号的三维图像。     

RSVP与SSVEP混合脑电信号刺激与多类事件检测

提出一种新的基于快速序列视觉呈现（Rapid Serial Visual Presentation,RSVP）与稳态视觉诱发电位（Steady-State Visually Evoked Potential,SSVEP）组合范式的脑电信号（Electroencephalogram,EEG）刺激与多类事件检测方法。对诱发的原始脑电信号通过电位重参考、基线去除、空间滤波等预处理操作去除数据的伪迹和噪声,通过自举聚合决策树（Bagging Tree,BT）和支持向量机（Supported Vector Machine,SVM）等机器学习算法,对14名受试者双重刺激诱发的脑电信号进行目标与频率相结合的多类事件检测,通过实验验证了该组合范式诱发的脑电信号具有良好的多类可分性,为开发基于RSVP和SSVEP两种范式的混合型脑-机接口应用提供了一种新的有效途径。同时,实验结果还表明,基于机器学习的BT和SVM模型对RSVP和SSVEP组合范式诱发的EEG信号进行多类识别的性能明显优于传统的典型关联分析（Canonical Correlation Analysis,CCA）算法的性能。     

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。     

A three-stage approach for the resource-constrained shortest path as a sub-problem in column generation

This paper focuses on the common scenario in which the resource-constrained shortest path problem (RCSP) on an acyclic graph is a sub-problem in the context of column generation. It proposes a pseudo-polynomial time, three-stage solution approach. Stages 1 (preprocessing) and 2 (setup) are implemented one time to transform RCSP into a shortest path problem, which is solved by stage 3 (iterative solution) at each column generation iteration, each time with different arc costs. This paper analyzes certain properties related to each stage as well as algorithm complexity. Computational tests compare the performances of this method, a state-of-the-art label-setting algorithm, and CPLEX optimization software on four classes of instances, each of which involves either one or multiple resources, and show that the new method is effective. The new method outperforms the label-setting algorithm when resource limitations are tight—as can be expected in practice, and outperforms CPLEX for all tested instances. The label-setting algorithm outperforms CPLEX for all single-resource RCSP instances and almost all multiple-resource RCSP instances.     

基于免疫克隆特征选择和欠采样集成的垃圾网页检测

为解决垃圾网页检测过程中的“维数灾难”和不平衡分类问题,提出一种基于免疫克隆特征选择和欠采样（US）集成的二元分类器算法。首先,使用欠采样技术将训练样本集大类抽样成多个与小类样本数相近的样本集,再将其分别与小类样本合并构成多个平衡的子训练样本集;然后,设计一种免疫克隆算法遴选出多个最优的特征子集;基于最优特征子集对平衡的子样本集进行投影操作,生成平衡数据集的多个视图;最后,用随机森林（RF）分类器对测试样本进行分类,采用简单投票法确定测试样本的最终类别。在WEBSPAM UK-2006数据集上的实验结果表明,该集成分类器算法应用于垃圾网页检测：与随机森林算法及其Bagging和AdaBoost集成分类器算法相比,准确率、F1测度、AUC等指标均提高11%以上;与其他最优的研究结果相比,该集成分类器算法在F1测度上提高2%,在AUC上达到最优。     

基于ERS/ERD的二级共空间模式的运动想象脑电信号特征提取

针对多类运动想象EEG信号在脑-机接口方面存在分类识别率低和被试者差异性的问题,提出了一种基于ERS/ERD现象的二级共空间模式特征提取的方法。首先对全部导联进行特定频段的小波包降噪和分解;其次对分解系数重构后的信号以手(左、右)和脚(脚、舌)这二类进行一级共空间模式获取空间滤波器并对其采用2-范数筛选准则,提取权重系数较大的N个导联;然后以优化导联的投影矩阵对手与脚进行空间滤波后的信号分别作为原始信号进行二级空间模式特征提取;最后采用支持向量机进行分类。采用BCI2005Ⅲa中三位被试者的数据进行仿真验证,得到分类正确率最高达到92.55%。结果表明,该方法对EEG信号的特征提取具有较好的效果。     

Trial pruning based on genetic algorithm for single-trial EEG classification

We consider the problem of artifacts in electroencephalography (EEG) data. In a practical motor imagery based brain-computer interface (BCI) system, EEG signals are usually contaminated by misleading trials caused by artifacts, measurement inaccuracies, or improper imagination of a movement. As a result, the performance of a BCI system can be degraded. In this paper, we introduce a novel algorithm combining Gaussian mixture model (GMM) and genetic algorithm (GA) to detect the abnormal EEG samples. In addition, this algorithm can be also integrated with other data-driven feature exaction method (e.g., common spatial pattern (CSP)) so that a more reliable analysis can be obtained by pruning the potential outliers and noisy samples, and consequently the performance of a BCI system can be improved. Experimental results demonstrate significant improvement in comparison with the conventional mixture model.     

半监督学习的运动想象脑电信号分类

为了减少枯燥和耗时的训练进程和提高脑机接口系统的分类率,将半监督学习运用到了运动想象脑电的分类中,提出了一种基于分段重叠共空间模式的自训练算法,将分段重叠共空间模式作为特征提取算法,使用少量标记的数据进行学习,然后使用置信度评估准则从未标记样本中挑选信息量大的样本来提高线性判别分类器的性能。提出的算法在少量标记样本和大量未标记样本的帮助下,能够获得比基于共空间模式作为特征提取的自训练算法和基于滤波带宽共空间模式作为特征提取的自训练算法有更好的分类效果。使用2005 BCI竞赛的数据集Iva来证明算法的有效性,结果表明了提出的算法能有效提高运动想象脑电的分类率。     

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。