A Skip Connection Generative Adversarial Network With EEG Background Noise for Motor Imagery Decoding

解码方法 计算机科学 运动表象 语音识别 脑电图 连接(主束) 噪音(视频) 人工智能 计算机视觉 生成对抗网络 对抗制 生成语法 图像(数学) 脑-机接口 心理学 算法 工程类 神经科学 结构工程
作者
Mengfan Li,Haodong Deng,Jiahao Ge,Huihui Zhou,Jundi Li,Guizhi Xu,Guizhi Xu
出处
期刊:IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:74: 1-13 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tim.2024.3522618
摘要

EEG decoding is a key for motor imagery-based brain-computer interfaces (MI-BCIs) to decode people’s motor intentions, holding a broad potential in medical rehabilitation. However, the amount of MI EEG data is often small because of some practical EEG collection limitations, which decreases the EEG decoding performance. This study proposes a skip connection generative adversarial network (GAN)-based data augmentation model to generate MI EEG samples, to expand the amount of the samples for the EEG decoding. The SGD utilizes independent component analysis (ICAs) to extract EEG background noise and to retain more biological information for the GAN and then employs a skip connection and multihead attention to integrate high- and low-level EEG features in the generator. Subsequently, the SGD adopts a temporal convolutional network (TCN) to discriminate between samples. The brain-computer interface (BCI) Competition IV-2a dataset is used to validate the SGD on four-class MI EEG decoding. The results show that the SGD can retain high accuracies (best accuracy: 86.15%, $p =0.034$ ) under different ratios of generated MI EEG samples, implying that the skip connection and multihead attention are helpful for reconstructing the temporal and spatial features of MI EEG by ablation experiment. This study demonstrates the feasibility of applying EEG background noise to generate MI EEG samples, providing a new way to solve the small sample problem faced by the MI-BCI.
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