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王鹏举 (王鹏举.) | 李明爱 (李明爱.)

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目的 基于深度学习的脑电图-功能性近红外光谱技术(electroencephalogram-functional near-infrared spectroscopy, EEG-fNIRS)多模态脑机接口在康复工程中具有广泛的应用前景,但存在数据量不足的问题。为此,本文提出一种基于改进条件生成式对抗网络(conditional generative adversarial network, CGAN)的EEG-fNIRS多模态信号数据增广方法,以解决EEG-fNIRS多模态脑机接口与深度学习结合时面临的数据量匮乏的问题。方法 首先,对EEG和fNIRS数据进行滤波、归一化和下采样等预处理。然后,针对EEG的非平稳特点,在CGAN生成器和判别器中增加自注意力机制,获得EEG数据增广模型CGAN_E,加强捕捉和学习时变关键信息的能力。同时,针对fNIRS采样率低、信息量不充分问题,在CGAN生成器和判别器中增加上采样卷积层,获得fNIRS数据增广模型CGAN_f,加强模型的信息挖掘能力,并将CGAN_E和CGAN_f的条件信息设置为类标签;进而,利用CGAN_E和CGAN_f对每导EEG和fNIRS分别进行增广,并将多导EEG扩增数据和多导fNIRS[包括氧合血红蛋白浓度(oxyhemoglobin concentration, HbO)和脱氧血红蛋白浓度(deoxyhemoglobin concentration, HbR)两种]扩增数据串接融合,获得EEG-fNIRS多模态增广数据。最后,对公开的EEG-fNIRS多模态信号数据集TU-Berlin-A前6名受试者数据进行增广实验,并设计一维卷积神经网络分类器评估增广数据的质量。结果 基于EEG-fNIRS多模态信号公开数据集TU-Berlin-A前6名受试者的左右手运动想象数据进行实验研究表明,当数据扩增5倍时,本文方法取得94.81%的平均分类准确率。结论 CGAN_E和CGAN_f能够生成接近真实数据分布的EEG和fNIRS信号,验证了对CGAN改进和本文所提EEG-fNIRS多模态数据增广方法的有效性。

Keyword:

条件生成式对抗网络 数据增广 多模态信号 脑电图 功能性近红外光成像技术

Author Community:

  • [ 1 ] 北京工业大学信息学部
  • [ 2 ] 计算智能与智能系统北京市重点实验室
  • [ 3 ] 教育部数字社区教育工程中心

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Source :

北京生物医学工程

Year: 2024

Issue: 03

Volume: 43

Page: 250-258

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