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TFTL: A Task-Free Transfer Learning Strategy for EEG-Based Cross-Subject and Cross-Dataset Motor Imagery BCI

脑-机接口 运动表象 脑电图 任务(项目管理) 计算机科学 学习迁移 人工智能 主题(文档) 语音识别 心理学 工程类 神经科学 图书馆学 系统工程
作者
Yihan Wang,Jiaxing Wang,Weiqun Wang,Jianqiang Su,Chayut Bunterngchit,Zeng‐Guang Hou
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72 (2): 810-821 被引量:26
标识
DOI:10.1109/tbme.2024.3474049
摘要

OBJECTIVE: Motor imagery-based brain-computer interfaces (MI-BCIs) have been playing an increasingly vital role in neural rehabilitation. However, the long-term task-based calibration required for enhanced model performance leads to an unfriendly user experience, while the inadequacy of EEG data hinders the performance of deep learning models. To address these challenges, a task-free transfer learning strategy (TFTL) for EEG-based cross-subject & cross-dataset MI-BCI is proposed for calibration time reduction and multi-center data co-modeling. METHODS: TFTL strategy consists of data alignment, shared feature extractor, and specific classifiers, in which the label predictor for MI tasks classification, as well as domain and dataset discriminator for inter-subject variability reduction are concurrently optimized for knowledge transfer from subjects across different datasets to the target subject. Moreover, only resting data of the target subject is used for subject-specific model construction to achieve task-free. RESULTS: We employed three deep learning methods (ShallowConvNet, EEGNet, and TCNet-Fusion) as baseline approaches to evaluate the effectiveness of the proposed strategy on five datasets (BCIC IV Dataset 2a, Dataset 1, Physionet MI, Dreyer 2023, and OpenBMI). The results demonstrate a significant improvement with the inclusion of the TFTL strategy compared to the baseline methods, reaching a maximum enhancement of 15.67% with a statistical significance (p = 2.4e-5 < 0.05). Moreover, task-free resulted in MI trials needed for calibration being 0 for all datasets, which significantly alleviated the calibration burden for patients before usage. CONCLUSION/SIGNIFICANCE: The proposed TFTL strategy effectively addresses challenges posed by prolonged calibration periods and insufficient EEG data, thus promoting MI-BCI from laboratory to clinical application.
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