FBMSNet: A Filter-Bank Multi-Scale Convolutional Neural Network for EEG-Based Motor Imagery Decoding

计算机科学 过滤器组 卷积神经网络 解码方法 人工智能 模式识别(心理学) 脑-机接口 运动表象 深度学习 特征提取 脑电图 滤波器(信号处理) 语音识别 计算机视觉 算法 精神科 心理学
作者
Ke Liu,Mingzhao Yang,Zhuliang Yu,Guoyin Wang,Wei Wu
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (2): 436-445 被引量:111
标识
DOI:10.1109/tbme.2022.3193277
摘要

OBJECT: Motor imagery (MI) is a mental process widely utilized as the experimental paradigm for brain-computer interfaces (BCIs) across a broad range of basic science and clinical studies. However, decoding intentions from MI remains challenging due to the inherent complexity of brain patterns relative to the small sample size available for machine learning. APPROACH: This paper proposes an end-to-end Filter-Bank Multiscale Convolutional Neural Network (FBMSNet) for MI classification. A filter bank is first employed to derive a multiview spectral representation of the EEG data. Mixed depthwise convolution is then applied to extract temporal features at multiple scales, followed by spatial filtering to mitigate volume conduction. Finally, with the joint supervision of cross-entropy and center loss, FBMSNet obtains features that maximize interclass dispersion and intraclass compactness. MAIN RESULTS: We compare FBMSNet with several state-of-the-art EEG decoding methods on two MI datasets: the BCI Competition IV 2a dataset and the OpenBMI dataset. FBMSNet significantly outperforms the benchmark methods by achieving 79.17% and 70.05% for four-class and two-class hold-out classification accuracy, respectively. SIGNIFICANCE: These results demonstrate the efficacy of FBMSNet in improving EEG decoding performance toward more robust BCI applications. The FBMSNet source code is available at https://github.com/Want2Vanish/FBMSNet.
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