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专利号: 2019100124473
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-05-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、将原始左右手运动想象脑电信号的μ频带和β频带利用短时傅里叶变换转换为二维时频图;

S2、构建5层卷积神经网络结构,第一层为输入层,第二、三层为卷积层,第四层为全连接层,第五层为输出层,采取一维卷积方式进行特征提取;

S3、利用反向传播算法训练整个卷积神经网络;

S4、以支持向量机作为整个模型的分类器,将支持向量机替换CNN中的输出层;

所述步骤S1运动想象脑电信号由C3、CZ和C4三个电极采集而成,设计了一种二维时频图作为CNN网络的输入,对每个电极采集到的2s长度脑电信号进行短时傅里叶变换:其中,X(w,t)表示原始脑电信号,w()表示窗口函数,采用汉明窗,最终通过上式得257×32的时频图,其中STFT采用长度为64的汉明窗,对得到的时频图提取8‑13Hz频带和17‑

30Hz频带,分别得到12×32和29×32的二维时频图,通过立方插值法将17‑30Hz频带的时频图调整为12×32,最后,将三个电极的所有频带进行组合构成(3×2×12)×32大小的时频图;

所述步骤S2的5层卷积神经网络结构分别为L1‑L5层,具体如下:L1:该层为神经网络的输入层,以预处理中得到的72×32时频图作为输入I;

L2:该层为卷积层,采用一维卷积核进行计算,在L2中使用了8个卷积核,卷积核大小设置为72×1,通过与输入数据进行卷积运算得8个对应的特征图,进行卷积第k个卷积核对应的特征图被定义为:其中, 表示特征图,i表示卷积核中每个单元的序号,其范围依据卷积核大小而定,j表示特征图中的第j个神经元, 为72×1的卷积核, 为偏置,f()表示激活函数,本网络模型以修正线性单元ReLU作为激活函数,以a为输入时该激活函数表示如下:a

f(a)=ReLU(a)=ln(1+e)

L3:该层为卷积层,对L2层中得到的8个特征图分别使用5个卷积核,卷积核大小为8×

1,设置卷积步长与卷积核长度相同,经过映射后,该层可得40个特征图,每个特征图的大小为4×1,特征图表示为:其中, 为8×1的卷积核, 为偏置;

L4:该层为全连接层,神经元个数为30个,其作用为连接所有特征,并将输出值送给分类器,计算方式为:4

其中, 为L3、L4两层神经元的连接权值,b(j)为偏置;

L5:该层为输出层,神经元个数为2,代表左右手运动想象的二分类问题,其与L4层的所有神经元以全连接的形式相连接:

5 5

其中,w(j)为L4与L5两层之间的连接权值,b(j)为偏置。

2.根据权利要求1所述的基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法,其特征在于,所述步骤S1脑原始左右手运动想象脑电信号数据为由C3、CZ和C4电极采集的左手和右手运动想象脑电数据。

3.根据权利要求1所述的基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法,其特征在于,所述步骤S3中CNN的训练采用反向传播算法,具体包括:先前向计算每层输出,根据输出层的结果与标签反向计算误差,据此误差求权值和偏置的梯度,以此更新各个权值和偏置:(l) (l) (l+1) (l) T

w =w ‑α·δ (a )

(l) (l) (l+1)

b =b ‑α·δ

(l) (l+1)

其中,w 与 分别表示第l层的权值和偏置,δ 表示偏差,a表示输出值。

4.根据权利要求3所述的基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法,其特征在于,所述步骤S4以支持向量机作为整个模型的分类器,将支持向量机替换CNN中的输出层,并以全连接层得到的特征作为支持向量机的输入,以支持向量机的输出作为脑电信号的识别结果。