基于卷积神经网络的运动想象脑电信号特征提取与分类
本文选题:脑机接口技术 + 公共空间模式 ; 参考:《郑州大学》2017年硕士论文
【摘要】:脑机接口技术(Brain Computer Interface,BCI)是指不依靠脑神经和肌肉组织,通过计算机在大脑和外部环境之间构建一种新的信息传输回路,可以直接实现大脑与外界环境的信息交流,是一种新型的人机交互方式。它能为思维正常但患有肌肉损伤、肌肉功能障碍的群体提供一种与外界交流的新途径,并且在军事应用、娱乐等领域也有着较大的应用前景。脑机接口系统的关键技术是通过对脑电信号进行处理,从中提取出能表征受试者的思维活动的脑电成分,作为分类器的输入,将分类结果转换成控制命令输出,实现对外部设备的控制。本文以提高四类运动想象脑电信号的识别率为目标,结合运动想象脑电信号的特性,对脑电信号的预处理、特征提取以及分类等过程进行了分析研究,主要工作如下:(1)首先介绍了脑电信号的分类及特点,对运动想象脑电信号的特性进行了分析。结合小波包变换(Wavelet Packet Transform,WPT)与快速独立分量分析(Fast Independent Component Analysis,FastICA)两种算法,对脑电信号进行预处理,滤除了脑电信号中的高频噪声与伪迹,便于后续的特征提取和分类。(2)当输入样本量较少,采用卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)对脑电信号进行分类时,网络权值得不到充分训练,导致分类效果差。针对以上问题,本文创新性地将公共空间模式(Common Spatial Pattern,CSP)与CNN相结合,对多类运动想象脑电信号进行两级特征提取并分类,与传统脑电分类算法相比,分类正确率有较大提高。(3)较小的脑电信号样本量导致无法充分训练CNN网络权值,而不同实验过程中网络权值的初始值对分类结果影响较大。针对这个问题,本文首先利用遗传(Genetic Algorithm,GA)算法对CNN权值进行预训练,在解空间内进行权值全局寻优;其次,利用误差反向传播(Back Propagation,BP)算法对最优网络权值进行局部修正。实验结果表明,本文所提出的方法能够在小样本量的情况下,达到较好的CNN网络训练效果,比传统利用BP算法对CNN进行权值训练得到的分类结果更加稳定。
[Abstract]:Brain-computer interface technology brain Computer Interface (brain-computer interface) refers to the construction of a new information transmission circuit between the brain and the external environment without relying on the brain nerve and muscle tissue, which can directly realize the information exchange between the brain and the external environment. It is a new type of human-computer interaction. It can provide a new way to communicate with the outside world for the group with normal thinking but suffering from muscle injury and muscle dysfunction, and also has a great application prospect in military application, entertainment and other fields. The key technology of the BCI system is to extract the EEG components which can represent the mental activity of the subjects by processing the EEG signals, which can be used as the input of the classifier to convert the classification results into the output of the control commands. To achieve the control of external equipment. In order to improve the recognition rate of four kinds of motion imaginary EEG signals, this paper analyzes and studies the processes of EEG preprocessing, feature extraction and classification combined with the characteristics of motion imaginary EEG signals. The main work is as follows: (1) first, the classification and characteristics of EEG are introduced, and the characteristics of motor imaginary EEG are analyzed. Combining wavelet Packet transform (WPT) with fast independent component analysis (Packet) and fast Independent Component analysis (Fast Independent Component Analysis) algorithm, the EEG signal is preprocessed to filter the high-frequency noise and artifact in the EEG signal. When the input sample size is small and the Convolutional Neural Network is used to classify EEG signals, the network weights are not sufficiently trained, which results in poor classification effect. Aiming at the above problems, this paper innovatively combines Common Spatial pattern with CNN to extract and classify the two-level feature of multi-class motion imaginary EEG signals, which is compared with the traditional EEG classification algorithm. The small sample size of EEG leads to the inability to fully train the weights of CNN networks, and the initial values of network weights in different experiments have a great influence on the classification results. To solve this problem, this paper first uses genetic algorithm GA (genetic algorithm) algorithm to pretrain the weight value of CNN, and makes a global optimization of the weight value in the solution space. Secondly, the weight value of the optimal network is locally modified by using the error back propagation (back propagation) algorithm. The experimental results show that the proposed method can achieve better training effect of CNN network under the condition of small sample size, and is more stable than the classification results obtained by traditional BP algorithm for CNN weight training.
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318;TN911.7
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 鲁强;刘玉军;徐建兰;张进禄;;一种适用于清醒动物脑电信号采集的固定装置[J];首都医科大学学报;2011年06期
2 ;脑电信号处理的研究取得阶段性成果[J];河北师范大学学报;1987年01期
3 李志瑞;张文杰;;通用脑电信号处理——微机系统初探[J];河北师范大学学报;1988年Z1期
4 孟欣,,欧阳楷;脑电信号的几个非线性动力学分析方法[J];北京生物医学工程;1997年03期
5 吴小培,冯焕清,周荷琴,王涛;独立分量分析及其在脑电信号预处理中的应用[J];北京生物医学工程;2001年01期
6 李英远,周卫东;径向基函数神经网络在脑电信号建模中的应用[J];山东生物医学工程;2002年02期
7 刘大路,江朝晖,冯焕清,王聪;基于脑电信号时空分布信息的思维特征研究[J];北京生物医学工程;2004年02期
8 许崇涛,沈民奋,李慧,朱国平;双谱分析方法在脑电信号分析中的应用[J];中国行为医学科学;2004年03期
9 汤晓军,宋卓,杨卓,张涛;双任务事件中脑电信号的熵计算(英文)[J];生物物理学报;2005年05期
10 蒋辰伟;章悦;曹洋;朱国行;顾凡及;王斌;;脑死亡与脑昏迷脑电信号的复杂度研究[J];生物物理学报;2008年02期
相关会议论文 前10条
1 薛蕴全;王秋英;王宏;;脑电信号的动态时空响应拓扑图[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(上)[C];2001年
2 王裕清;粱平;郭付清;张登攀;;脑电信号诊断专家系统的研究[A];中国生理学会第21届全国代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2002年
3 朱林剑;包海涛;孙守林;梁丰;;新型脑电信号采集方法与应用研究[A];大连理工大学生物医学工程学术论文集(第2卷)[C];2005年
4 许涛;朱林剑;包海涛;;基于思维脑电信号的假手的研究[A];提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集(下册)[C];2006年
5 李爱新;孙铁;郭炎峰;;基于人工神经网络的脑电信号模式分类[A];自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008年会论文集[C];2008年
6 童珊;黄华;陈槐卿;;混沌理论在脑电信号分析中的应用[A];中国生物医学工程学会第六次会员代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2004年
7 李凌;曾庆宁;尧德中;;利用两级抗交叉串扰自适应滤波器提取诱发脑电信号[A];中国生物医学工程学会第六次会员代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2004年
8 葛家怡;周鹏;王明时;;睡眠脑电信号样本熵的研究[A];中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会论文集(下册)[C];2007年
9 李丽君;黄思娟;吴效明;熊冬生;;基于运动想象的脑电信号特征提取与分类[A];中国仪器仪表学会医疗仪器分会2010两岸四地生物医学工程学术年会论文集[C];2010年
10 葛家怡;周鹏;王明时;;睡眠脑电信号样本熵的研究[A];天津市生物医学工程学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
相关重要报纸文章 前1条
1 张文清 记者 王春;意念控制车速及左右转弯前行[N];科技日报;2008年
相关博士学位论文 前10条
1 彭宏;普适化脑电信息感知关键问题的研究[D];兰州大学;2015年
2 吴玉鹏;AR谱在皮层痫样脑电信号分析应用[D];河北医科大学;2015年
3 马小飞;认知任务下的脑电动力学分析[D];南京大学;2017年
4 吴畏;基于统计建模的多导联脑电信号时空建模方法研究[D];清华大学;2012年
5 孙宇舸;脑—机接口系统中脑电信号处理方法的研究[D];东北大学;2012年
6 周群;脑电信号同步:方法及应用研究[D];电子科技大学;2009年
7 赵丽;基于脑电信号的脑-机接口技术研究[D];天津大学;2004年
8 李春胜;脑电信号混沌特性的研究与应用[D];东北大学;2011年
9 欧阳高翔;癫痫脑电信号的非线性特征识别与分析[D];燕山大学;2010年
10 缪晓波;基于脑电信号的认知动力学系统研究——线性/非线性方法及动态时—频—空分析[D];重庆大学;2004年
相关硕士学位论文 前10条
1 范明莉;基于卷积神经网络的运动想象脑电信号特征提取与分类[D];郑州大学;2017年
2 于洪;基于脑电信号的警觉度估计[D];上海交通大学;2007年
3 蒋洁;基于高性能计算的脑电信号分析[D];燕山大学;2010年
4 张志琴;脑电信号的复杂性分析[D];中南大学;2009年
5 许凤娟;脑电信号采集与分析系统的设计[D];长春理工大学;2011年
6 曹铭;意识障碍患者脑电信号的非线性动力学评价分析[D];杭州电子科技大学;2012年
7 薛吉星;多通道脑电信号采集与处理系统研究[D];华南理工大学;2015年
8 刘静;基于加权排序熵的多通道脑电信号同步算法研究[D];燕山大学;2015年
9 陈泽涛;基于脑电信号分析的AD早期评估系统的设计与实现[D];燕山大学;2015年
10 王欢;基于非平稳时间序列分析方法的脑电信号模式识别[D];苏州大学;2015年
本文编号:1956481
本文链接:https://www.wllwen.com/yixuelunwen/swyx/1956481.html