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[学位]

深度学习在脑机接口中的应用研究

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Author:

李腾飞 (李腾飞.)

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学位论文库

Abstract:

脑认知科学研究是国际研究热点之一,2016年我国十三五规划纲要草案将脑科学和类脑研究列入了国家重大科技项目。脑机接口是脑认知科学研究的重要分支,其研究目的在于实现脑机交互,而脑机交互的前提取决于人类对大脑的认知水平。基于EEG设备获取脑电信号,是一种非侵入式的脑活动测量方式。鉴于其对人体无伤害、时间分辨率高以及价格相对低廉等特点,成为了脑机接口领域最主要的数据来源。
由于脑电信号具有高度的非平稳性,非线性和低信噪比,这为脑电信号分析带来了诸多挑战。随着数据革命时代的到来,特别是深度学习相关算法在模式识别领域获得的巨大成功,促使探索深度学习在脑信号分析中的应用可行性。深度学习算法能够通过构建深度网络模型,自动提取表示复杂数据模式的有效特征,从而获得卓越的分类效果。
具体而言,深度学习算法通过对网络基础结构单元的叠加,来构建深层网络模型,并通过预训练及对比散度误差传递等方式,解决复杂模型的学习问题。多层受限玻尔兹曼机(RBM)的叠加,可构成深度信任网络(DBN);多层卷积操作及池化(Pooling)的引入,构成CNN网络。本文基于RBM构成的DBN网络以及CNN网络两种深度学习算法,实现了脑电运动想象信号分类和P300信号识别,获得了较传统算法更优的分类准确度。具体研究内容如下:
1 基于RBM的深度信任网络在运动想象分类中的应用研究
运动想象会在运动脑皮层激发事件相关同步(ERD)和事件相关去同步(ERS)现象,其信号体现在特定频段内。因此,本研究在对信号进行带通滤波后,将数据变换到频率域处理。分别采用了小波和FFT两种算法进行时频转换,对频域信号经过标准化处理之后,作为后续深度信任网络的输入信号。深度信任网络由多层RBM叠加构成,通过对网络结构及网络参数的调整和优化,在运动想象分类标准数据集上取得了83%的平均分类准确率,较比赛最好结果提升了3个百分点。
2 CNN网络在P300信号识别中的应用研究
P300信号与非P300信号相比,时域特性的区别相对比较明显,因此采用时域信号作为CNN网络输入。通过截取600ms含有P300和不含P300的时域信号序列,经过相应的滤波和标准化操作之后,应用CNN网络搭建分类模型。本实验将深度学习框架Caffe引入到脑电信号分析中,搭建了CNN深度学习网络,分别实现了对P300信号的识别和运动想象分类。

Keyword:

Caffe框架 P300 深度学习 运动想象

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 吕娜

Year: 2016

Language: Chinese

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WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 5

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