EEG-Based Emotion Recognition Using Spatial-Temporal Graph Convolutional LSTM With Attention Mechanism

计算机科学 判别式 脑电图 人工智能 模式识别(心理学) 卷积神经网络 分类器(UML) 图形 邻接表 算法 理论计算机科学 心理学 精神科
作者
Lin Feng,Cheng Cheng,Mingyan Zhao,Huiyuan Deng,Yong Zhang
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:26 (11): 5406-5417 被引量:131
标识
DOI:10.1109/jbhi.2022.3198688
摘要

The dynamic uncertain relationship among each brain region is a necessary factor that limits EEG-based emotion recognition. It is a thought-provoking problem to availably employ time-varying spatial and temporal characteristics from multi-channel electroencephalogram (EEG) signals. Although deep learning has made remarkable achievements in emotion recognition, the biological topological information among brain regions does not fully exploit, which is vital for EEG-based emotion recognition. In response to this problem, we design a hybrid model called ST-GCLSTM, which comprises a spatial-graph convolutional network (SGCN) module and an attention-enhanced bi-directional Long Short-Term Memory (LSTM) module. The main advantage of ST-GCLSTM is that it can consider the biological topology information of each brain region to extract representative spatial-temporal features from multiple EEG channels. Specifically, we construct two layers SGCN by introducing adjacency matrices to adaptively learn the intrinsic connection among different EEG channels. Moreover, an attention-enhanced mechanism is placed into a bi-directional LSTM module to extract the crucial spatial-temporal features from sequential EEG data, and then these features serve as the input layer of the classifier to learn discriminative emotion-related features. Extensive experiments on the DEAP, SEED, and SEED-IV datasets demonstrate the effectiveness of the proposed ST-GCLSTM model, revealing that our model had an absolute performance improvement over state-of-the-art strategies.
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