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.     

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。     

异步BCI系统中运动想象诱发脑电特征识别

针对异步运动想象脑机交互（Brain Computer Interface,BCI）系统中空闲状态检测和不同想象任务分类的问题,在小波变换提取脑电信号特征基础上,设计了阈值判别结合支持向量机的二级分类器。由于大脑想象单侧肢体运动时,会导致同侧和对侧运动皮层脑区EEG信号在μ节律上分别出现事件相关同步和去同步,而大脑处于空闲状态时则无此现象。基于大脑活动的这一特性,提出了小波能量阈值判别法,进行空闲状态检测,径向基核函数和交叉检验的支持向量机方法,进行左、右手运动想象任务分类。结果表明该分类器最佳分类正确率达到了80.7%,且整个时间消耗仅为3.0 s,可以较好地满足异步在线运动想象BCI系统的应用。     

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...     

基于改进时频共空间模式的运动想象脑电信号分类

共空间模式侧重提取信号的空间信息,是脑电信号中滤波和特征提取的常用算法之一。然而脑电信号的时间窗、频带和通道的选择都会影响其分类结果。为了提高CSP特征的表征能力,采用了基于相关系数的脑电通道选择方法,结合时频共空间模式提取特征,提出了通道选择共时频空间模式(CS-CTFSP)新框架。首先利用通道间相关性,在主通道的基础上筛选合适的通道集合;并利用时频共空间模式从每个时间窗口的多个子频带中提取CSP特征;接着引入一种子频带筛选方法去除无区分能力的频带单元后,结合LASSO提取稀疏特征;最后采用LDA分类器对脑电信号进行分类。在对BCI Competition III Dataset IVa和BCI Competition IV Dataset I二分类运动想象任务的分类实验中,平均分类精度达到91.10%和87.92%,并与其他运动想象方法进行了比较,验证了本文方法的有效性。     

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。     

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。     

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。     

舒尔特方格与LSTM的注意力分级建模

在基于脑电信号的注意力分级研究中,存在两个亟待解决的技术难点。第一不同注意类型的脑电数据采集及标注困难;第二脑电特征提取算法忽视原始脑电信号时序特征。针对以上问题,设计了基于视觉搜索和反应时技术的舒尔特方格范式,实现对不同注意类型脑电数据的采集以及自动标注;设计长短期记忆深度学习网络（LSTM）实现对注意力分级,保存原始脑电信号的时序特征。实验结果表明,注意力分级模型可以很好区分高中低三种注意力水平;对比现有的五种基于EEG信号的注意力分级算法,小波变换（DWT）、近似熵、共空间模式（CSP）、基于相干系数的脑网络和卷积神经网络（CNN）,在相同的EEG数据集上,该注意力分级模型识别准确率最高,高出DWT算法21.49个百分点;高出近似熵算法25.82个百分点;高出CSP算法20.53个百分点;高出基于相干系数的脑网络算法13.32个百分点;高出CNN9.05个百分点。     

偏最小二乘回归模型在EEG特征选择的应用

为了克服主成分分析（PCA）对共空间模式（CSP）提取脑电信号特征进行降维时,仅考虑主成分对输入变量的表征能力,而忽略了对输出变量进行解释的这一个缺点,提出偏最小二乘回归（PLS）进行降维,通过CSP对数据增强后的信号进行特征提取,采用PLS进行降维,将提取的主成分信息包含对因变量解释程度高的特征作为特征向量,使用PSO-SVM进行分类,用2005 BCI竞赛的数据集IIIa进行分类测试,结果得到3位被试的想象运动平均分类正确率91.71%,通过与CSP-LDS、WL-CSP和CSP等算法的比较,3位被试的平均分类正确率最高,验证了该算法的有效性。     

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.     

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。     

A combination of spectral graph theory and quantum genetic algorithm to find relevant set of electrodes for motor imagery classification

At present, more number of electrodes are used to develop brain computer interface (BCI) devices based on motor imagery. However, the number of trials for a given subject is usually less. Under this situation, the performance of motor imagery task classification may degrade. In this research work, we propose a combination of graph theoretic spectral method and quantum genetic algorithm (QGA) to obtain a subset of relevant and non-redundant electrodes for effective motor imagery task classification. Stationary Common Spatial Pattern method, which can handle non-stationarity issue, is used for extraction of features from the reduced set of electrodes. Support Vector Machine (SVM) is used as a classifier. Improvement in classification performance on publicly available dataset signifies efficacy of the proposed method. Friedman statistical test demonstrates that the performance of the proposed method is significantly better in comparison to existing CSP and its variants.     

基于多时窗共空间模式的HMM运动想象脑电识别

运动想象脑电具有识别效果不佳及复杂时序信号建模困难的问题；提出一种基于多时窗共空间模式的隐马尔可夫模型运动想象脑电识别方法,首先将运动想象脑电划分为多个短时窗信号,然后使用共空间模式提取特征序列,以滤除脑电通道间的冗余信息,最后采用前向-后相算法与Viterbi算法求解隐马尔可夫模型并完成分类识别；将本文方法在公开运动想象脑电数据集上进行实验，得到77.17%的分类正确率，相较隐马尔可夫模型算法提升了5.74%，验证了所提方法的有效性。     

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。     

重叠特征策略与参数优化的运动想象脑电模式识别

针对运动想象脑电信号的非线性、非平稳特性,提出重叠特征策略与参数优化方法.通过重叠频带滤波(OFB)进行预处理,在滤波后的信号上提取共同空间模式特征(CSP).将OFB-CSP特征输入鲁棒支持矩阵机,完成模式识别,在模式识别中通过校正粒子群算法(CPSO)动态调整被试个体最优参数.在两个公开数据集上进行实验,分别验证OFB预处理可提升CSP特征区分度,CPSO可为个体寻找最优的鲁棒支持矩阵机分类参数.文中方法提升运动想象识别率,样本和计算资源需求较小,适合脑机接口的实际应用.