Tensor-CSPNet: A Novel Geometric Deep Learning Framework for Motor Imagery Classification

脑电图 人工智能 可解释性 卷积神经网络 计算机科学 模式识别(心理学) 张量(固有定义) 深度学习 可视化 协方差 机器学习 数学 心理学 神经科学 统计 纯数学
作者
Ce Ju,Cuntai Guan
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:34 (12): 10955-10969 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tnnls.2022.3172108
摘要

Deep learning (DL) has been widely investigated in a vast majority of applications in electroencephalography (EEG)-based brain-computer interfaces (BCIs), especially for motor imagery (MI) classification in the past five years. The mainstream DL methodology for the MI-EEG classification exploits the temporospatial patterns of EEG signals using convolutional neural networks (CNNs), which have been particularly successful in visual images. However, since the statistical characteristics of visual images depart radically from EEG signals, a natural question arises whether an alternative network architecture exists apart from CNNs. To address this question, we propose a novel geometric DL (GDL) framework called Tensor-CSPNet, which characterizes spatial covariance matrices derived from EEG signals on symmetric positive definite (SPD) manifolds and fully captures the temporospatiofrequency patterns using existing deep neural networks on SPD manifolds, integrating with experiences from many successful MI-EEG classifiers to optimize the framework. In the experiments, Tensor-CSPNet attains or slightly outperforms the current state-of-the-art performance on the cross-validation and holdout scenarios in two commonly used MI-EEG datasets. Moreover, the visualization and interpretability analyses also exhibit the validity of Tensor-CSPNet for the MI-EEG classification. To conclude, in this study, we provide a feasible answer to the question by generalizing the DL methodologies on SPD manifolds, which indicates the start of a specific GDL methodology for the MI-EEG classification.

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