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)特征提取方法.首先针对每个通道进行频带划分从而构建数据块,然后根据时频特征计算对应的Fisher比表征每个块的分类能力,并设置阈值选出一定数量的最优块,最后用CSP和支持向量机(SVM)分别进行特征提取与分类.在对BCI Competition Ⅲ Datesate Ⅳa和BCI Competition Ⅳ Datesate Ⅰ两个二分类运动想象任务的分类实验中,平均分类精度达到了90.25%和83.78%,表明了所提出的特征提取方法的有效性和鲁棒性.     

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。     

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,本研究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多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,平均分类精度达到了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.     

运动想象脑电信号特征提取与分类算法研究

针对运动想象脑电信号特征提取困难,分类正确率低的问题,提出了利用小波熵进行特征提取并采用支持向量机（SVM）来分类的算法。计算运动想象脑电信号的功率,通过理论分析选择小波包尺度,对信号功率进行小波包分解并计算其小波包熵（WPE）,提取C3、C4导联的小波包熵插值组成特征向量,将特征向量作为分类器的输入送入支持向量机进行分类。采用国际BCI竞赛2003中的Graz数据进行验证,算法的最高分类正确率达97.56%。算法特征向量维数低、数据量小、分类正确率高,对运动想象脑电信号特征提取及分类的任务可以提供参考方法。     

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。     

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.     

基于邻接矩阵分解的脑电特征提取与分类方法

针对脑-机接口研究中运动想象脑电信号的特征提取问题,本文提出了一种基于脑功能网络邻接矩阵分解的新方法。首先采用多通道运动想象脑电信号构建脑功能网络,然后对相应的邻接矩阵进行奇异值分解,依据矩阵奇异值特征向量定义了脑电的特征参数,最后输入支持向量机分类器,对BCI Competition IV Data Sets 1中的四组数据进行分类识别。实验结果表明,基于脑功能网络邻接矩阵分解的特征提取和支持向量机分类器的方法能够以较高识别率区分不同的运动想象任务,为脑电特征提取研究提供了新的思路。     

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。     

基于多特征和BP神经网络的脑-机接口研究

研究了一种基于运动想象识别的脑-机接口(BCI)系统,通过提取想象过程中的脑电信号(EEG)中Alpha波特征,采用多特征分类的方法,以提高脑-机接口系统运动想象识别的正确率。针对脑电信号单特征分类精确度低、耗时长等缺点,采用自回归模型法、统计特征提取和频域分析的方法对Alpha波提取多个特征值,利用BP神经网络进行分类,对运动想象进行识别。通过实验验证了其识别率较高,取得了预期的效果,证明了多特征融合结合BP神经网络运用于脑机接口系统的可行性。     

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。     

基于双树复小波变换和GBDT的运动想象脑电识别

针对脑机接口研究中的脑电信号特征提取与分类问题,提出了一种基于双树复小波变换结合GBDT的想象左右手运动脑电识别的方法。该方法首先深入研究了双树复小波变换相比于小波包变换在脑电信号特征提取方面的优势并验证了ERD/ERS现象;实验数据采用了2003年国际脑机接口竞赛的标准数据集DataSetⅢ,然后,选取了4个典型的时间段进行实验对比,利用双树复小波变换分解与重构提取运动感知节律相关信号分量的能量均值作为特征进行GBDT分类。最后,实验取得了较好的分类准确度,验证了双树复小波变换结合GBDT的方法在脑电信号识别应用中的有效性。     

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.     

Modified CC-LR algorithm with three diverse feature sets for motor imagery tasks classification in EEG based brain–computer interface

Motor imagery (MI) tasks classification provides an important basis for designing brain–computer interface (BCI) systems. If the MI tasks are reliably distinguished through identifying typical patterns in electroencephalography (EEG) data, a motor disabled people could communicate with a device by composing sequences of these mental states. In our earlier study, we developed a cross-correlation based logistic regression (CC-LR) algorithm for the classification of MI tasks for BCI applications, but its performance was not satisfactory. This study develops a modified version of the CC-LR algorithm exploring a suitable feature set that can improve the performance. The modified CC-LR algorithm uses the C3 electrode channel (in the international 10–20 system) as a reference channel for the cross-correlation (CC) technique and applies three diverse feature sets separately, as the input to the logistic regression (LR) classifier. The present algorithm investigates which feature set is the best to characterize the distribution of MI tasks based EEG data. This study also provides an insight into how to select a reference channel for the CC technique with EEG signals considering the anatomical structure of the human brain. The proposed algorithm is compared with eight of the most recently reported well-known methods including the BCI III Winner algorithm. The findings of this study indicate that the modified CC-LR algorithm has potential to improve the identification performance of MI tasks in BCI systems. The results demonstrate that the proposed technique provides a classification improvement over the existing methods tested.     

基于HHT运动想象脑电模式识别研究

脑机接口是一种变革性的人机交互, 其中基于运动想象(Motor imagery, MI)脑电的脑机接口是一类非常重要的脑机交互. 本文旨在探索有效的运动想象脑电特征模式提取方法. 采用在时域、频域同时具有很高分辨率的希尔伯特--黄变换(Hilbert-Huang transform, HHT),进而提取自回归(Auto regressive, AR)模型参数并计算运动想象脑电平均瞬时能量,从而构造特征向量, 最后利用能较好地适应运动想象脑电单次试验分类的支持向量机(Support vector machine, SVM)进行分类. 结果表明在Trial的5.5～7.5s期间, HHT特征提取方法平均分类正确率为81.08%, 具有良好的适应性;最高分类正确率为87.86%, 优于传统的小波变换特征提取方法和未经HHT的特征提取方法;在Trial的8～9s期间, HHT特征提取方法显著优于后两种特征提取方法. 本研究证实了HHT对运动想象脑电这一非平稳非线性信号具有很好的特征提取能力, 也再次验证了运动想象事件相关去同步(Event-related desynchronization, ERD)现象, 同时也表明运动想象脑电的脑--机交互系统性能与被试想象心理活动的质量密切相关. 本文可望为基于运动想象脑电的在线实时脑机交互控制系统的研究打下坚实的基础.     

面向运动想象脑电图识别的镜卷积神经网络

目的 脑电图（electroencephalogram,EEG）是一种灵活、无创、非侵入式的大脑监测方法,广泛应用于运动想象脑机接口系统中,运动想象脑电图识别精度是决定系统性能的关键因素。然而由于脑电图采集时间长、个体差异大等原因,导致单个受试者可用于模型训练的样本数量少,严重影响了卷积神经网络在脑电图识别任务中的表现。为此,本文提出一种镜卷积神经网络（mirror convolutional neural network,MCNN）模型,使用集成学习与数据扩增方法提高运动想象脑电图识别精度。方法 在训练阶段,基于源脑电通过互换左右侧脑电通道构造镜像脑电,并与源脑电一起用于源卷积网络训练,有效扩增了训练样本;在预测阶段,复制已训练源卷积网络作为镜像卷积网络,将测试集中的源脑电输入源卷积网络,构造的镜像脑电输入镜像卷积网络,集成源卷积网络与镜像卷积网络输出的类别预测概率,形成最终类别预测。结果 为了验证模型的有效性和通用性,基于3种不同运动想象脑电图识别卷积网络模型分别构造镜卷积网络,并在第4届脑机接口大赛2a与2b数据集上进行实验验证。实验结果与原始模型相比,运动想象四分类和二分类准确率分别平均提高了4.83%和4.61%,显著提高了识别精度。结论 本文面向运动想象脑电图识别,提出了镜卷积神经网络模型,通过集成学习与数据扩增方法提高运动想象识别精度,有效改善了运动想象脑机接口性能。