基于稀疏张量分解的动态功能网络分析

静息态功能磁共振成像(RS-fMRI)是目前研究人脑功能的重要技术之一,脑功能连接的动态分析为研究大脑内部状态变化提供了一种有效的手段。文中提出了一种基于稀疏张量CP分解算法的动态脑功能网络分析方法。首先利用静息态fMRI数据不同维度的信息构建张量模型,并对其进行优化求解。然后使用动态检测法对时变网络的状态进行划分,构建脑功能连接网络,并与常用的滑动窗口方法进行对比分析。实验结果表明,该方法能够准确识别出静息态fMRI数据的时间维度信息,捕获静息态fMRI数据中的动态功能连接。     

静息态功能磁共振成像的脑功能分区综述

目的 越来越多的研究表明,基于静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）的大脑功能分区比传统的大脑结构分区（如AAL分区、Brodmann分区等）在功能网络构建中功能一致性更高。但现阶段对于大脑功能模块的划分较粗糙,需要更精细准确的脑功能分区,明确宏观尺度的基本功能单元。为能使脑科学领域的研究者对基于静息态功能磁共振成像的脑功能分区进行有益的探索和应用,本文对其进行系统综述。方法 从rs-fMRI数据与大脑功能网络的关系出发,理清脑功能区分割的一般思路,对近几年来脑功能分区算法中出现的新思路、新方法以及对原有方法的改进做了较全面的阐述;最后总结该领域现阶段面临的问题并对未来的研究方向做了展望。结果 根据脑区情况,将脑功能分区分为全脑功能分区和局部脑功能分区,并分别阐释这两方面的优势与应用。同时,将脑功能分区算法归纳为基于数据驱动和基于模型驱动两大类,并展示了各类分区算法的优势以及面临的难点和挑战。结论 基于静息态功能磁共振成像的脑功能分区的研究已经取得了一些进展和有价值的研究成果,但是距离研究人脑机制,应用于脑部疾病的预防和诊断以及启示类脑科学的发展,还需要对脑功能分区方法进行更深入的研究和完善。后续研究中可将传统的分区算法和先验知识、空间领域信息、空间约束、稀疏编码、特征选择和采样学习等思想结合起来,形成融合性的脑功能分区算法,致力于更为细致准确的大脑功能分区和脑功能网络构建,解析脑的高级功能。     

结合置信度加权融合与视觉注意机制的前景检测

目的 在视频前景检测中,像素级的背景减除法检测结果轮廓清晰,灵活性高。然而,基于样本一致性的像素级分类方法不能有效利用像素信息,遇到颜色伪装和出现静止前景等复杂情形时无法有效检测前景。为解决这一问题,提出一种基于置信度加权融合和视觉注意的前景检测方法。方法 通过加权融合样本的颜色置信度和纹理置信度之和判断前景,进行自适应更新样本的置信度和权值;通过划分子序列结合颜色显著性和纹理差异度构建视觉注意机制判定静止前景目标,使用更新置信度最小样本的策略保持背景模型的动态更新。结果 本文方法在CDW2014（change detection workshops 2014）和SBM-RGBD（scene background modeling red-green-blue-depth）数据集上进行检测,相较于5种主流算法,本文算法的查全率和精度相较于次好算法分别提高2.66%和1.48%,综合性能最优。结论 本文算法提高了在颜色伪装和存在静止前景等复杂情形下前景检测的精度和召回率,在公开数据集上得到更好的检测效果。可将其应用于存在颜色伪装和静止前景等复杂情形的视频监控中。     

核空间广义均衡模糊C-均值聚类算法

目的 针对现有广义均衡模糊C-均值聚类不收敛问题,提出一种改进广义均衡模糊聚类新算法,并将其推广至再生希尔伯特核空间以便提高该类算法的普适性。方法 在现有广义均衡模糊C-均值聚类目标函数的基础上,利用Schweizer T范数极限表达式的性质构造了新的广义均衡模糊C-均值聚类最优化目标函数,然后采用拉格朗日乘子法获取其迭代求解所对应的隶属度和聚类中心表达式,同时对其聚类中心迭代表达式进行修改并得到一类聚类性能显著改善的修正聚类算法;最后利用非线性函数将数据样本映射至高维特征空间获得核空间广义均衡模糊聚类算法。结果 对Iris标准文本数据聚类和灰度图像分割测试表明,提出的改进广义均衡模模糊聚类新算法及其修正算法具有良好的分类性能,核空间广义均衡模糊聚类算法对比现有融入类间距离的改进模糊C-均值聚类(FCS)算法和改进再生核空间的模糊局部C-均值聚类(KFLICM)算法能将图像分割的误分率降低10%30%。结论 本文算法克服了现有广义均衡模糊C-均值聚类算法的缺陷,同时改善了聚类性能,适合复杂数据聚类分析的需要。     

结合超像元和子空间投影支持向量机的高光谱图像分类

目的 高光谱图像包含了丰富的空间、光谱和辐射信息,能够用于精细的地物分类,但是要达到较高的分类精度,需要解决高维数据与有限样本之间存在矛盾的问题,并且降低因噪声和混合像元引起的同物异谱的影响。为有效解决上述问题,提出结合超像元和子空间投影支持向量机的高光谱图像分类方法。方法 首先采用简单线性迭代聚类算法将高光谱图像分割成许多无重叠的同质性区域,将每一个区域作为一个超像元,以超像元作为图像分类的最小单元,利用子空间投影算法对超像元构成的图像进行降维处理,在低维特征空间中执行支持向量机分类。本文高光谱图像空谱综合分类模型,对几何特征空间下的超像元分割与光谱特征空间下的子空间投影支持向量机（SVMsub）,采用分割后进行特征融合的处理方式,将像元级别转换为面向对象的超像元级别,实现高光谱图像空谱综合分类。结果 在AVIRIS（airbone visible/infrared imaging spectrometer）获取的Indian Pines数据和Reflective ROSIS（optics system spectrographic imaging system）传感器获取的University of Pavia数据实验中,子空间投影算法比对应的非子空间投影算法的分类精度高,特别是在样本数较少的情况下,分类效果提升明显;利用马尔可夫随机场或超像元融合空间信息的算法比对应的没有融合空间信息的算法的分类精度高;在两组数据均使用少于1%的训练样本情况下,同时融合了超像元和子空间投影的支持向量机算法在两组实验中分类精度均为最高,整体分类精度高出其他相关算法4%左右。结论 利用超像元处理可以有效融合空间信息,降低同物异谱对分类结果的不利影响;采用子空间投影能够将高光谱数据变换到低维空间中,实现有限训练样本条件下的高精度分类;结合超像元和子空间投影支持向量机的算法能够得到较高的高光谱图像分类精度。     

fMRI动态功能网络构建及其在脑部疾病识别中的应用

如何从复杂的fMRI数据中提取 丰富的大脑信息是提高脑部疾病识别精度的关键。传统的静息态功能磁共振成像分析中,功能连接网络被认为是稳定不变的。提出一种基于成组独立成分分析的构建动态功能连接网络的方法,并通过该网络来获取功能网络本身的动态特性。首先,利用成组独立成分分析法提取fMRI数据的空间独立成分作为网络节点,并通过滑动时间窗的方法获取窗口时间序列,构建动态功能连接网络。以动态功能网络作为特征,对精神分裂症患者和正常被试数据进行分类识别。实验结果表明,该方法能够获取fMRI数据的时间维度信息,提高识别效果,在一定程度上能为临床诊断提供客观参照。     

多模态零样本人体动作识别

目的 在人体行为识别算法的研究领域,通过视频特征实现零样本识别的研究越来越多。但是,目前大部分研究是基于单模态数据展开的,关于多模态融合的研究还较少。为了研究多种模态数据对零样本人体动作识别的影响,本文提出了一种基于多模态融合的零样本人体动作识别（zero-shot human action recognition framework based on multimodel fusion, ZSAR-MF）框架。方法 本文框架主要由传感器特征提取模块、分类模块和视频特征提取模块组成。具体来说,传感器特征提取模块使用卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）提取心率和加速度特征;分类模块利用所有概念（传感器特征、动作和对象名称）的词向量生成动作类别分类器;视频特征提取模块将每个动作的属性、对象分数和传感器特征映射到属性—特征空间中,最后使用分类模块生成的分类器对每个动作的属性和传感器特征进行评估。结果 本文实验在Stanford-ECM数据集上展开,对比结果表明本文ZSAR-MF模型比基于单模态数据的零样本识别模型在识别准确率上提高了4 %左右。结论 本文所提出的基于多模态融合的零样本人体动作识别框架,有效地融合了传感器特征和视频特征,并显著提高了零样本人体动作识别的准确率。     

基于I3D-CNN的自闭症分类方法

为解决传统基于静态功能网络连接的自闭症分类算法忽略了脑功能连接的时变特性问题,提出一种基于膨胀卷积网络(inflated three dimension convolution neural network,I3D-CNN)的自闭症分类识别方法。提取被试大脑的静息态功能核磁共振影像(rest state functional magnetic resonance imaging,RS-fMRI)每个感兴趣区域(region of interest,ROI)的时间序列,基于时间序列利用随机滑动时间窗口法,构建多个3D动态脑功能连接矩阵,使用I3D-CNN从3D动态脑功能连接矩阵中提取大脑的时空特征,建立自闭症分类模型。通过在ABIDE数据集上进行实验,验证了该方法的可行性和有效性。     

基于熵加权K-means全局信息聚类的高光谱图像分类

目的 高光谱图像波段数目巨大，导致在解译及分类过程中出现“维数灾难”的现象。针对该问题，在K-means聚类算法基础上，考虑各个波段对不同聚类的重要程度，同时顾及类间信息，提出一种基于熵加权K-means全局信息聚类的高光谱图像分类算法。方法 首先，引入波段权重，用来刻画各个波段对不同聚类的重要程度，并定义熵信息测度表达该权重。其次，为避免局部最优聚类，引入类间距离测度实现全局最优聚类。最后，将上述两类测度引入K-means聚类目标函数，通过最小化目标函数得到最优分类结果。结果 为了验证提出的高光谱图像分类方法的有效性，对Salinas高光谱图像和Pavia University高光谱图像标准图中的地物类别根据其光谱反射率差异程度进行合并，将合并后的标准图作为新的标准分类图。分别采用本文算法和传统K-means算法对Salinas高光谱图像和Pavia University高光谱图像进行实验，并定性、定量地评价和分析了实验结果。对于图像中合并后的地物类别，光谱反射率差异程度大，从视觉上看，本文算法较传统K-means算法有更好的分类结果；从分类精度看，本文算法的总精度分别为92.20%和82.96%， K-means算法的总精度分别为83.39%和67.06%，较K-means算法增长8.81%和15.9%。结论 提出一种基于熵加权K-means全局信息聚类的高光谱图像分类算法，实验结果表明，本文算法对高光谱图像中具有不同光谱反射率差异程度的各类地物目标均能取得很好的分类结果。     

结合类内和类间距离的可能聚类分割算法

目的 为了进一步提高噪声图像分割的抗噪性和准确性,提出一种结合类内距离和类间距离的改进可能聚类算法并将其应用于图像分割。方法 该算法避免了传统可能性聚类分割算法中仅仅考虑以样本点到聚类中心的距离作为算法的测度,将类内距离与类间距离相结合作为算法的新测度,即考虑了类内紧密程度又考虑了类间离散程度,以便对不同的聚类结构有较强的稳定性和更好的抗噪能力,并且将直方图融入可能模糊聚类分割算法中提出快速可能模糊聚类分割算法,使其对各种较复杂图像的分割具有即时性。结果 通过人工合成图像和实际遥感图像分割测试结果表明,本文改进可能聚类算法是有效的,其分割轮廓清晰,分类准确且噪声较小,其误分率相比其他算法至少降低了2个百分点,同时能获得更满意的分割效果。结论 针对模糊C-均值聚类分割算法和可能性聚类分割算法对于背景和目标颜色相近的图像分类不准确的缺陷,将类内距离与类间距离相结合作为算法的测度有效的解决了图像分割归类问题,并且结合直方图提出快速可能模糊聚类分割算法使其对于大篇幅复杂图像也具有适用性。     

受限波兹曼机联合稀疏近似的脑功能检测模型

人脑功能连通性检测是神经科学研究的重要技术．使用受限制波兹曼机（RestrictedBoltzmannMachine,RBM）对大量多被试功能磁共振（functionalMagneticResonanceImaging,fMRI）数据进行建模可以检测人脑功能连接,但是不能有效检测单被试数据的功能连接．本文研究一种新颖的融合了稀疏近似与RBM技术的脑功能连通性检测模型,该模型充分利用fMRI数据的稀疏性,采用稀疏近似理论对fMRI数据进行空间域稀疏近似压缩,然后使用RBM建立模型,以检测脑功能连通性．实验结果表明,该融合模型可以有效地提取单被试数据的脑功能时间域混合模型及其相应的脑功能图谱,解决了RBM在单被试数据分析上的瓶颈．     

基于高阶最小生成树的脑网络分析及对阿兹海默氏症患者的分类

利用静息态功能磁共振成像技术来研究大脑的功能连接网络是当前脑疾病研究的重要方法之一。这种方法能准确地检测包括阿兹海默氏症在内的多种脑疾病。然而,传统的网络只是研究两个脑区之间相关程度,而且缺乏对大脑区域之间更深层次的交互信息和功能连接之间关联程度的研究。为了解决这些问题,提出了一种构建高阶最小生成树功能连接网络的方法,该方法不仅保证了功能连接网络的生理学意义,而且研究了网络中更复杂的交互信息,提高了分类的准确率。分类结果显示,基于高阶最小生成树功能连接网络的静息态功能磁共振成像分类方法大幅提高了阿兹海默氏症检测的准确率。     

Rich club characteristics of dynamic brain functional networks in resting state

Conventional brain functional networks are constructed by extracting the entire time series from functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). Yet such a method is easy to ignore the dynamic interaction patterns of brain regions that essentially change across time. In this study, we analyze the functional connectivity characteristics of Rich Club in resting-state brain functional networks, and study the dynamic functional differences of core brain regions at different time periods. First, the time series is extracted from resting-state fMRI to construct a dynamic brain functional network. Then, Rich Clubs of different time periods are determined by the Rich Club coefficients. In particular, the efficiency of each Rich Club is calculated to examine the influences of the Rich Connections, Feeder Connections and Local Connections. Finally, the node degree, clustering coefficient and efficiency for Rich Club nodes are calculated to quantify the dynamic processes of Rich Clubs, and the functional connectivity of Rich Clubs are compared with those of the functional networks constructed by the entire fMRI time series. Experimental results demonstrate that the distribution of Rich Clubs in the dynamic brain functional network is consistent with that from the entire fMRI time series, while the composition and functional connectivity of Rich Club dynamically change across time. Moreover, Rich connection and Local connection in the brain functional networks show a significant correlation with the efficiency of Rich Club, and the local and the global efficiency of Rich Clubs are greater than that of the global network. These results further illustrate the viewpoint that Rich Clubs have significant influence on the functional characteristics of global brain functional networks.

     

基于fMRI动态功能连接的抑郁症患者分类研究*

针对当前抑郁症诊断正确率偏低、误诊率偏高的问题,利用fMRI动态功能连接研究了抑郁症辅助诊断问题。首先采用滑动时间窗技术研究功能连接及其网络拓扑特性的动态变化,然后基于这些动态特征应用多元模式分析方法对22名抑郁症患者和27名健康被试进行分类。采用动态分析方法能够增加样本数量,从而更加有利于一些分类算法的应用。实验结果表明以动态功能连接和网络拓扑特性为特征的分类正确率均为93.88%,明显优于对应非动态特征81.63%和85.71%的结果。进一步分析表明,具有高辨别力的特征所对应的脑区主要分布在默认网络、情感网络、视觉皮层区等,动态功能连接可能为抑郁症的辅助诊断提供新的手段。     

静息态功能脑连接的空间动态分析及分类研究

现有的精神疾病分类模型仅采用脑网络的静态指标作为特征,忽略了脑网络的空间动态信息,导致分类性能不高。为克服这一局限性,提升分类模型的性能,提出了基于功能脑连接空间动态的分类方法。通过高维模板对脑连接进行空间动态分析,提取脑连接空间动态特征。利用统计分析进行特征选择,构建基于静息态功能脑连接的分类模型。通过对抑郁症患者与正常被试的分类实验结果表明,脑连接空间动态特征的分类准确率（83.0%）比传统采用脑网络的静态指标特征的分类准确率（77.8%）高5.2个百分点。     

面向脑核磁共振识别运动任务的门控循环单元方法

目的 在脑科学领域,已有研究借助脑功能核磁共振影像数据(functional magnetic resonance imaging,fMRI)探索和区分人类大脑在不同运动任务下的状态,然而传统方法没有充分利用fMRI数据的时序特性。对此,本文提出基于fMRI数据计算的全脑脑区时间信号(time course,TC)的门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)方法(TC-GRU)进行运动任务分类。方法 基于HCP(human connectome project)数据集中的100个健康被试者在5种运动任务中分两轮采集的1 000条fMRI数据,对每种运动任务计算每个被试者在各脑区(共360个脑区)的时间信号;使用10折交叉验证方案基于训练集和验证集训练TC-GRU模型,并用构建好的模型对测试集进行测试,考察其对5种运动任务的分类能力,其中TC-GRU在各时刻的输入特征为全脑脑区在对应时刻的TC信号幅值,通过这样的方式提取全脑脑区在整个时间段的时序特征。同时,为了展示使用TC-GRU模型可挖掘fMRI数据中更丰富的信息,设计了多个对比实验进行比较,利用长短期记忆网络(...     

面向知识自动化的磨矿系统操作员脑认知特征与控制效果的相关分析

面向知识型工作自动化,研究了流程工业生产过程中操作人员的脑认知特征与操作控制水平之间的关键,建立了一种基于操作员脑网络特征的操作熟练程度隐性知识的显性化模型.采用关注信号瞬时相位、基于希尔伯特变换的相位锁方法,构建了脑功能网络（Functional brain network,FBN）.基于磨矿系统操作员脑功能网络的图论参数与社区连接强度,建立了特征空间,采用支持向量机与神经网络进行特征分类.结果表明,在高频区,熟练操作员（熟手）的脑功能网络连接强度明显高于不熟练操作员（生手）:在低频部分则生手的脑功能网络连接强度略高,其特征分类准确率为87.24%.磨矿系统操作过程中形成的溢流粒度（Grinding particle size,GPS）曲线可以初略地反映操作人员的熟练程度,本文在深入分析了其溢流粒度曲线与操作员脑网络特征的基础上,发现相对于溢流粒度曲线操作员的脑网络特征可以更全面地描述操作控制水平（特别在操作开始时间段）,采用脑网络特征识别操作控制水平在时间上超前于溢流粒度曲线识别方法.本研究对于将知识工作者的认知特征引入到流程工业控制中,具有一定的借鉴意义.     

基于高阶最小生成树脑网络的多特征融合分类方法

现有的基于脑疾病的分类方法的研究使用的都是传统的低阶功能连接网络。低阶功能连接网络可能会忽略复杂的大脑区域之间动态的相互作用的模式。高阶功能连接网络能够反映网络中包含的丰富的动态时间信息,但原有的高阶功能连接网络使用聚类的方法降低了数据维度,使得构建的网络无法进行有效的神经学解释;其次,高阶功能连接网络由于规模较大,在利用复杂网络或图理论计算一些拓扑指标时消耗较大。基于此,提出了一种高阶最小生成树网络的构建方法,然后计算了传统的可量化网络指标(度和离心率)并结合频繁子图挖掘技术来挖掘具有判别能力的子网络,最后采用多核支持向量机进行分类。实验结果表明所提方法的分类精确度高达97.54%,获得了很好的分类性能。     

基于脑电功能连接拓扑表征的心算任务分类

使用脑网络图的方法分析脑电功能连接存在阈值选择、忽略了脑电图动力学特性的问题。针对这一问题,提出了一种使用拓扑动态建模的方法来分析脑电功能连接矩阵,以提高心算任务分类识别正确率。该方法首先将功能连接矩阵转换为无向加权图,然后使用持续同调工具来构建不同的复形,记录拓扑动态过程中形成的不同阶的同调特征,形成持续图,最后使用持续景观图特征作为分类特征,输入到随机森林分类器进行心算状态识别。在心算状态识别和心算质量分类两个任务中分别获得了最高99.26%、99.20%的识别准确率,97.87%、99.80%的敏感性,以及99.78%、97.64%的特异性,并且在跨个体验证实验中分别获得了66.81%、66.85%的准确率。实验结果表明,该方法能充分考虑所有可能的阈值,有效提取脑电功能连接的分类信息,实现脑电心算状态自动识别。