面向运动想象脑电图识别的镜卷积神经网络

• 作者: 罗靖 王耀杰 刘光明 王晓帆 鲁晓锋 黑新宏
• 来源期刊: 中国图象图形学报
• 关键词: 脑机接口(BCI) 运动想象 镜卷积神经网络(MCNN) 脑电图(EEG) 数据扩增 集成学习
• 年，卷（期）: 2021,（9）
• 所属期刊栏目: 研究应用|Research and Application
• 页码范围: 2257-2269
• 页数: 13页
• 分类号: TP391.4
• 语种: 中文
• DOI: 10.11834/jig.210072

摘要

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.