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基于混合神经网络的运动想象信号分类数据增强
摘要：运动想象作为自发性脑机接口的重要范式，被广泛应用于神经康复、机器人控制等领域。近年来，研究者提出了多种基于运动想象信号的特征提取和分类方法，其中基于深度神经网络（DNN）的解码模型在运动想象信号处理领域引起了广泛关注。由于对受试者和实验环境的严格要求，收集大规模高质量的脑电图（EEG）数据非常困难，而深度学习模型的性能直接取决于数据集的大小。因此，基于DNN的MI-EEG信号解码在实践中被证明是非常具有挑战性的。基于此，我们研究了不同的数据增强（DA）方法在使用DNN对运动想象数据进行分类的性能。首先，我们使用短时傅里叶变换（STFT）将时间序列信号转换为频谱图像。然后，我们评估并比较了不同 DA 方法对该频谱图数据的性能。接下来，我们开发了一个卷积神经网络（CNN）来对 MI 信号进行分类，并比较了 DA 后的分类性能。使用 Frechet 初始距离（FID）评估生成数据（GD）的质量和分类准确率，使用平均 kappa 值探索最佳的 CNN-DA 方法。此外，使用方差分析（ANOVA）和配对 t 检验来评估结果的显著性。结果表明，深度卷积生成对抗网络（DCGAN）比传统 DA 方法：几何变换（GT）、自动编码器（AE）和变分自动编码器（VAE）提供了更好的增强性能（p < 0.01）。使用 BCI 竞赛 IV（数据集 1 和 2b）的公共数据集来验证分类性能。经过 DA 后，两个数据集的分类准确率分别提高了 17% 和 21%（p < 0.01）。此外，混合网络 CNN-DCGAN 的表现优于其他分类方法，两个数据集的平均 kappa 值分别为 0.564 和 0.677。