深度学习技术在运动想象脑电信号中分类中的学习实战

----(本文由 思影科技学习参考后得出)

脑机接口(BCI)中运动想象脑电图(MI-EEG)是最常见的BCI范式之一,已经广泛应用于只能医疗,如中风后康复和移动辅助机器人。近年来,深度学习(DL)对基于MI-EEG的BCI产生了巨大影响。

争对基于DL的MI分类提出了三个主要问题:

(1)基于DL的技术是否需要预处理?

(2)哪些输入构建最适合基于DL的技术

(3)基于DL的技术的当前趋势是什么?

脑电图(EEG)传感器测量来自人脑的生物测量数据,这些数据可以被解码以理解潜在的身体和心理状态,然后用于进一步提高生活质量。与一般的只能医疗传感器不同,EEG脑信号被智能医疗系统以两种方式利用:

一是导入与医疗相关的信息,即感知。

二是与物理世界互动,即控制,使用智能设备如轮椅或外骨骼。

传统的机器学习方式已被广泛用于分类MI-EEG数据。

传统方法通常包括三个主要步骤来处理MI-EEG信号: 预处理、特征提取和分类。

预处理包括多个操作:如通道选择(选择对MI任务最有价值的EEG通道)、信号过滤(选择对MI任务最优价值的频率范围、信号归一化(在时间轴上归一化每个EEG通道)和伪迹去除(从MI-EEG中去除噪声))

其中,伪迹去除最常用的方法是独立成分分析(ICA)。

特征提取,从高维EEG信号中提取与任务相关的MI特征。

MI特征分为三类,取决于数据处理的领域:时间特征、频谱特征和空间特征。

时间特征在不同时间点或不同时间段的时间域中提取,如均值、方差、Hjorth参数和偏度。

频谱特征包括频率域特征,如功率谱密度(PSD)和快速傅里叶变换(FFT)还有时频特征,如短时傅里叶变换(STFT)和小波变换(WT)

空间特征旨在识别头皮上特定电极位置,如共同空间模式(CSPs)。CSP是MI-EEG数据最常见的特征提取方法。

一些研究人员试图扩展和改进CSP方法。稀疏CSP使用正则化特征为CSP值增加稀疏性。静态CSP、发散CSP和概率CSP是一些尝试增强CSP功能的其他技术。滤波器组CSP(FBCSP)[23]是CSP方法的另一个扩展版本,它使用EEG通道中的空间信息以及MI-EEG信号中的频率数据。FBCSP(滤波器组公共空间模式)在MI分类中表现出了所有依赖手动特征提取的其他方法中最好的性能。在分类阶段,使用了多种分类器来将提取的MI特征分类为不同的MI任务,如朴素贝叶斯分类器、线性判别分析(LDA、支持向量机(SVM)和极限学习机(ELM)。

目前的面临的问题

**EEG信号容易受到许多噪声源的影响,**包括生物伪迹(例如,心跳、眨眼、舌头和肌肉运动、注意力水平、呼吸和疲劳)、电子设备(例如,无线设备、手机和电脑)以及环境噪声(例如,声音和照明)。

这些伪迹,加上通道相关性、受试者依赖性以及EEG信号的高维性,使得大脑信号的解释和分类成为一项困难的任务。因此,开发一个更稳定、更通用的MI-EEG BCI框架至关重要,它可以在各种场景中运行,并能从具有挑战性的MI-EEG数据中自动提取独特特征。

其次,EEG信号的信噪比(SNR)非常低,具有时间依赖的协变量,并且是非平稳的。

由于传统预处理和特征提取方法的时间复杂性,以及信息丢失的可能性,低SNR问题不容易通过传统的MI-EEG分类方法解决。

第三,特征提取强烈依赖于特定领域的人类经验。例如,基本的生物学知识对于通过EEG信号分析MI任务的状态至关重要。需要一种自动化的提取方法。

现状分析

在过去的五年中,深度学习(DL)方法已被用于解决分类MI-EEG信号。与传统的机器学习方法不同,DL可以使用深层架构从原始MI-EEG数据中自动学习高级和潜在的复杂特征,同时消除了预处理和耗时特征提取的需求。

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