58、教授学生关于脑机模型论文的批判性学习,以FB-EEGNet为例[吾少时握剑,便知天下第一]

embedded/2024/9/22 13:36:03/

本次讲解的模型由重庆邮电大学计算机、自动化学院2022年7月Journal of Neuroscience MethodsJCR:Q3/IF:5.7(不是,这个三区的期刊影响因子好高啊)发表。

简要来说:

本模型在基于EEGNet结构的基础上,在模型最前面加入了FBCSP(空间滤波器组),对原始EEG信号进行不同频带的滤波,再输入到完整的EEGNet中提取时域频域的特征用于分类,在2个SSVEP数据上均达到SOTA水准,优于EEGNet、CCNN、CCA、FBCCA。实验结果证明FB-EEGNet可以有效提取多子带和交叉刺激目标的信息,为利用神经网络提取SSVEP的深层特征提供了一种很有前景的方法。

本博客以此论文为例,对每个章节的写作方式进行说明,这也是写脑机接口模型创新SCI文章的通用写法:

一、Introduction:

论文在本章节安排如下:

1、简明扼要的阐述了BCI的发展

2、简明扼要的阐述了BCISSVEP范式的发展

3、简明扼要的阐述了SSVEP模型的发展:从机器学习到卷积CNN

4、倒数第二段说明上述处理SSVEP模型的不足之处,并对此设计了本模型,表明了设计本模型的重要性、必要性、先进性、创新性、指导性、前瞻性(反正就是好、有意义,这个论文让我中了吧,Thanks!

5、倒数第一段对后面每个章节用一句话来说明做了哪些工作

二、Method:

正如Introduction最后一段所写: In section 2, we introduce the datasets and benchmark algorithms. Then the proposed FBEEGNet model is presented in detail. 在第2节中,作者介绍了验证模型所选用的数据集和(对照)基准算法。然后详细介绍了所提出的FBEEGNet的模型结构。

2.1 Datasets

用了一个公开和一个本实验室自己采的SSVEP数据来验证本模型和对照模型,我们来看下这量数据集介绍:

数据集1 (Nakanishi et al ., 2015):

该数据集包含12个SSVEP信号的频率刺激,可从https://github.com/mnak anishi/12JFPM_SSVEP获取。参与者为10名健康个体,9名男性,1名女性,平均年龄28岁。在每次试验开始时,都有一个1秒的刺激目标线索。参与者坐在一个光线昏暗的房间里,在显示器前60厘米处有一把舒适的椅子。显示器上的目标闪烁频率为9.25 Hz、9.75 Hz、10.25 Hz、10.75 Hz、11.25 Hz、11.75 Hz、12.25 Hz、12.75 Hz、13.25 Hz、13.75 Hz、14.25 Hz和14.75 Hz。每个受试者的实验由15个模块组成。在每一个block中,会随机出现一个刺激目标闪烁,在刺激目标闪烁的过程中,被试需要专注于闪烁的刺激目标4 s,完成12个目标对应的12个实验。采用BioSemi ActiveTwo脑电系统以2048 Hz的采样率采集脑电信号。对于离线分析,信号被下采样到256hz,并通过6 - 80hz带通滤波器。由于视觉系统是延迟的,所以从[0.135,0.135 + d]s中提取有效数据,其中时间0表示刺激目标闪烁的开始,d表示脱机分析时的时间窗口长度

数据集2:

除了公共数据集,我们还收集了一个实验数据集来评估我们的模型。我们的实验数据集由10名健康成年人组成(10名女性,年龄:21-25岁,平均年龄:23岁)。10名受试者中有8名有基于ssvep的脑机接口拼写经验。使用9个目标的BCI拼写器获得数据集。刺激界面显示在一个24英寸的液晶显示器上。刺激界面由9个刺激目标组成,每个刺激目标以固定频率闪烁,每个刺激目标为150 × 150像素的正方形,每行刺激目标之间的间隔为330像素,每列刺激目标之间的间隔为120像素。监视器上的目标以9hz、9.5 Hz、10hz、10.5 Hz、11hz、11.5 Hz、12hz、12.5 Hz、13hz的频率闪烁。刺激由MATLAB (MathWorks, Inc.)提供,使用Psychophysics Toolbox Version 3,控制刺激频率的准确性。受试者被放置在距离屏幕70厘米的地方。为了减少人工制品的干扰,研究对象被要求保持身体尽可能静止,并避免眨眼。对于每个受试者,实验由六个模块组成。每个块包含15个试验,对应于随机顺序表示的所有9个字符。每个实验都以一个指示目标刺激的视觉线索开始。提示符在屏幕上显示0.5秒。在提示符被偏移后。刺激同时开始在屏幕上闪烁5秒。在刺激被取消后,下一个试验开始前,屏幕空白0.5秒,让受试者在连续的试验之间短暂休息。每次试验总共持续6秒。

脑电信号由Brain Products EEG记录分析系统采集,采样率为1000hz。根据国际10-20体系,我们在P7、P3、Pz、P4、P5、O1、Oz和O2位置放置了8个电极。脑电图信号在50 Hz下进行陷波滤波。对于离线分析,EEG信号被下采样到250 Hz,然后使用无限脉冲响应(IIR)滤波器在3 Hz和100 Hz之间进行带通滤波。由于视觉系统是延迟的,所以从[0.15,0.15 + d]s中提取有效数据,其中时间0表示刺激目标闪烁的开始,d表示脱机分析时的时间窗口长度。实验数据集可根据合理要求向通讯作者索取。

2.2 Benchmark Algorithms

本小节介绍了CCA、FBCCA、CCNN、EEGNet四个基准算法,分别对应2.2.1-2.2.4章节,最后在2.3章节介绍本文模型FB-EEGNet,本章节要重点看,细心记,你是搞SSVEP的,老板研一给你分的方向,你要知道:嗷,老子是搞BCI-SSVEP的,看相关SSVEP相关论文,Introduction是帮助你贯通理解你的研究方向发展意义的,模型方法才是启发你能否发论文的关键,当然,实验室实力雄厚,国际认可度高,也可以搞个新的SSEVEP数据集发表论文。好,我们看下本文模型的设计:

2.3 FB-EEGNet:

咱们一段一段的看哈,有哪些可以收获的信息:

1、浅绿色:我们知道,在很多对于SSEVP的数据研究中,基波和谐波分量对于其频率的识别都有很大的帮助,

2、黄色:在2020年,Wong等大神表明:实验中的多重视觉刺激可以提高目标识别的准确率

3、波浪线:基于上述,提出FB-EEGNet,该模型从基频+谐波分量中提取特征并考虑了非凝视目标对于目标检测的影响,以提高model性能。

1、浅绿色:因为EEG数据首先进入的是FBCSP,所以模型要根据FBCSP分的带通数,而划分为N个子网络,涉略广泛的同学,你这也可以理解为本模型设计了多个输入通道,是个伪孪生神经网络

2、鉴于EEGNet结构的稳定和被学术界的广泛认可,本模型主干使用EEGNet的3个block

模型结构并无太大改进,就是EEGNet前面加了个滤波器组,设计了多个输入通道(子网络),这种设计我从接触EEGNet时就已经尝试过了,但是没写论文,觉得水了些。下面这段主要是写为了模拟非凝视目标,作者讲其权重赋值为一个非零值,并举了个栗子

滤波器组的设计:

为了提取谐波分量的信息,我们将SSVEP信号分成了几个子带,并根据2015年在公开数据集上的滤波建议,设计了9-60hz、18-60hz、27-60hz的带通滤波;并在自己实验室的数据集上滤波器组的选择为:8-50hz、16-50hz、24-50hz,使用切比雪夫对原始EEG进行带通滤波。所以我们知道,这里模型设计了三个子网络(3个输入通道,可以理解为三通道孪生模型,不用查了,三通道孪生模型处理EEG论文已经发了SCI,2022年)

本模型使用了自己的训练策略:(创新模型的训练方法也要好好学习)

1、第一阶段对3个子网络分别训好,固定参数,再把特征层连起来输出

2、第二阶段学习Dense层的参数

Adam优化器,Data1_LR=0.005,Dara2_LR = 0.003,(不是你用的啥损失啊?我看源代码才知道用的是categorical_crossentropy,你在论文倒是说啊

模型结构图

模型图

2.4 Experiment Protocol

本章节说明实验评价方法:ACC、ITR、Kruskal-Wallis检验,后面就是模型对比结果了和总结了

其实看到这,我看此类论文看多了,就知道这论文现在缺几个东西,写的不详细,这也是作者怕露马脚的所在:

1、公开数据(搞SSVEP的都知道这个数据吧,说不说都行)和自采数据(这个尤其重要)详细的范式说明:比如channel、sample_rate、event几秒,有无基线数据等,这也是影响你模型卷积核、步长、滤波器数量的决定性因素,文章没说,有点心虚

2、Table1图参数不够详细,感觉是半成品,并且没有把FBCSP这层给加上去,只有EEGNet的结构层次

3、模型图Fig3画的太那个了,太简要了,没法看,我是审稿人就直接劝退了

4、立足点不够新,不够稳,就是EEGNet加了个FBCSP,基于谐波啥的,emmm。不说模型创新高度,只谈立足点就没说清楚。

5、但人家还是发了这个论文,有点意思。

注:本项目受到国家自然科学基金项目(62136002、61703065)、重庆市自然科学基金项目(cstc2019jcyj-cxttX0002、cstc2020jcyj-msxmX0284)、重庆市教委重点合作项目(HZ2021008)的资助。


http://www.ppmy.cn/embedded/9132.html

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