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一种通过scout ESI和CNN解码EEG运动想象四分类任务的新方法
导读东北电力大学和长春理工大学研究团队开发并实现一种结合脑电图源成像(ESI)技术和卷积神经网络(CNN)的新方法,以对运动想象(MI)任务进行分类。ESI技术采用边界元法(BEM)和加权最小范数估计(WMNE)分别解决EEG的正向和逆向问题。然后在运动皮层中创建十个scout来选择感兴趣的区域(ROI)。研究者使用Morlet小波方法从scout的时间序列中提取特征。最后,使用CNN对MI任务进行分类。实验结果:在Physionet数据库上的整体平均准确率达到94.5%,分别对左拳头、右拳头、双拳和双脚的单个准确率达到95.3%、93.3%、93.6%、96%,采用十倍交叉验证进行验证。研究人员表示,他们的研究成果与最先进的MI分类方法的结果相比,总体分类增加了14.4%。研究者为验证方法的有效性,加入了4个新的受试者进行验证,发现总体平均准确率为92.5%。此外,全局分类器适应单一对象,整体平均准确率提高到94.54%。研究者表示,他们提出的结合scout ESI和CNN的方法,提高了脑电解码四类MI任务的BCI性能。系统框架图1 系统框架图系统框架如图1所示。原始数据来自国际10-10系统的64个电极(不包括Nz、F9、F10、FT9、FT10、A1、A2、TP9、TP10、P9和P10电极),并以每秒160个样本的速度采集。根据国际10-10系统从64个通道采集原始脑电图,并使用BCI2000系统进行记录。记录的数据被分为四个独立MI任务包括左拳MI,右拳MI,双拳MI和双脚MI。首先,由于ERD在执行运动想象时在alpha和beta中不同,因此使用FIR滤波器对EEG进行了8 Hz至30 Hz的带通滤波。然后,通过计算包含正问题和逆问题的源,将传感器空间的活动转化为源空间的活动。接下来,创建scout并提取特征。研究者在运动皮层中创建了10个scout,因为我们只关心与运动相关的活动。十个scout中的每一个都代表了可用源空间中的一个感兴趣的区域(ROI),并且是定义在皮层表面或头部体积上的偶极子的子集。左脑的scout称为L1、L2、L3、L4、L5,右脑的scout称为R1、R2、R3、R4、R5。利用JTFA从10个scout的源时间序列中提取特征。最后,利用CNN对时频图进行分离并进行分类。实验在实验中,研究人员仅使用了随机选择的十个受试者的MI trail (S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14)。这里用于分析的数据集包含每个受试者84次试验,每一类包含21次试验。在记录64通道脑电图时,受试者执行了不同的运动想象任务。每个受试者针对以下四个任务中的每一个执行了3轮21试验:当目标出现在屏幕左侧时,受试者想象打开和合上相应的拳头,直到目标消失。然后受试者放松。当目标出现在屏幕的右侧时,受试者想象打开和合上相应的拳头,直到目标消失。然后受试者放松。当目标出现在屏幕顶部时,受试者想象打开和合上双手的拳头,直到目标消失。然后受试者放松。当目标出现在屏幕底部时,目标会想象双脚张开和合拢,直到目标消失。然后受试者放松。为了统一数据维数,研究者选择了4s的数据,因为每次想象任务的执行时间都在4s左右。此外,脑电图任务是分开的,研究人员在实验中将左拳,右拳,双拳和双脚MI任务分别称为T1,T2,T3和T4。图2 scout命名左右运动想象的scout分别命名为L1、L2、L3、L4、L5、R1、R2、R3、R4、R5,如图2所示。10个scout每一个都被扩展到40个顶点,每个顶点只有一个源。L1区域对应40个信号,其他scout也一样。在计算了来源后,研究者在运动皮层中创建了十个scout,如图3所示。图3 创建10个scout使用ESI计算十个受试者(S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14)每次试验的四个任务(T1、T2、T3、T4)的源。对于这四项任务中的每一项,每个受试者每次都要进行7次测试(#1,#2,#3,#4,#5,#6,#7)。展示了第一个步的10个被试的10个scout的4项任务的来源。然后提取10个scout的时间序列进行进一步分析。特征提取在计算源之后,研究人员在运动皮层中创建了包含40个源的10个scout,并提取了scout的时间序列。如图4所示为提取R5 scout时间序列作为示例。图的右边显示了R5 scout的时间序列。本文利用小波变换从scout时间序列中提取特征。图4 提取R5 scout时间序列作为示例在这项研究中,研究者提出利用CNN来解决运动想象任务分类的问题。该模型基于Schirrmeister等提出的Deep ConvNet架构,该网络模型由一个六层卷积网络组成,其中两个最大池层和三个全连接层,如图5所示。图5对于Physionet数据库,研究者首先采用Deep ConvNet架构,包括四个卷积层、四个最大池层和一个全连接层。在实验中,研究者依据经验使用两个最大池化层。并尝试了不同数量的卷积层和完全连接层。时频图利用Morlet小波方法得到了scout的特征。对于每个任务,R5 scout的时频图如图6所示。包含时间和频率互补的时频分析方法提供了时域和频域的联合分布信息,清晰地描述了信号频率与时间的关系。图6 R5 scout的时频图显然,只有部分时频映射是红色的,表明每个任务只对特定的频率和时间敏感。由于图的数量比较大,研究者使用CNN来选择和学习这些图中最基本的特征。研究人员随机选择了几个样本,并将一些特征图可视化,作为MI任务的学习表示,如图7所示。图7为了获得有效的结果,将数据集分为90%作为训练集,其余10%作为测试集。首先,将十个受试者的数据集(总共19320个样本)分为17388个样本以训练所提出的CNN模型,以及1932个样本以验证模型的有效性。在实验中,研究者还选择了另外四个受试者的数据集以增加数据集的规模(27048个样本),其中24343个样本是训练集,其他样本是测试集。在选定的scout上对所提出的CNN架构进行了十次训练和测试,以验证所提出模型的鲁棒性。图8(a)显示了10个scout中每个的全局平均精度。图8 统计结果R5的全局平均精度最高,达到94.5%,而L2的全局平均精度最低,为91.3%。对应L1、L3、L4、L5、R1、R2、R3、R4的整体准确率分别为92.4%、92.5%、93.6%、91.9%、93.0%、91.8%、92.1%、92.6%。所有scout的总体精度均在91%以上,标准差均在0.20%以下。图8(b)显示了十个scout中每个scout四个MI任务的组级统计结果及其标准差。一般来说,R5表现的要比其他的好,而L2在迭代2000中表现最差。标准差较小,说明这些精度更接近平均值且稳定。图9 统计结果图9(a)显示了带有标准差的混淆矩阵,说明了group level分类结果。T1、T2、T3和T4的全局平均精度峰值分别为95.3%、93.3%、93.6%和96.0%。R5 scout的四个MI任务中的每一个都如图9(b)所示。通过改变训练集和测试集顺序的10次试验,确定了scoutR5的性能,结果如图10(a)和(b)所示。在10次试验中,scout R5的T1、T2、T3、T4的平均准确率分别为93.3%、93.8%、94.2%、94.1%。换句话说,四个任务中每一个的平均准确率都超过了93%。全局平均准确率为93.7%。10次试验结果表明,该方法对scout R5的分类效果较好。从以上结果可以清楚地看出,R5 scout在四种MI任务的分类中扮演着最重要的角色。因此,选择R5对四个MI任务进行分类。图 10图11. (a)是不同模型的全局平均准确性的比较。可以发现,该研究提出的模型可以达到最大的精度。从图11. (b)不同模型的ROC曲线可以看出提出的模型比其他模型表现更好。©不同模型T1上的精度比较。(d)不同模型T2的精度比较。(e)不同模型T3的精度比较。(f)不同型号T4的精度比较。图11 不同模型的精度比较结论东北电力大学和长春理工大学研究团队开发并实现一种结合脑电图源成像(ESI)技术和卷积神经网络(CNN)的新方法。该方法可以对运动想象(MI)任务进行分类。实验结果表明,他们的研究成果与最先进的MI分类方法的结果相比,总体分类增加了14.4%。研究者加入了4个新的受试者进行验证来验证方法的有效性。研究者表示,他们提出的结合scout ESI和CNN的方法,提高了脑电解码四类MI任务的BCI性能。论文信息:A novel approach of decoding EEG four-class motor imagery tasks via scout ESI and CNN
东北电力大学 2021-04-10
一种新型胍类磁性离子液体及其去除非极性溶液中含硫有机物的用途
本发明涉及一种磁性离子液体,特指基于胍基官能团的离子液体的制备方法及在萃取脱除非极性溶液中含硫有机物的用途。其结构如通式(I)所示,该类离子液体是典型的室温离子液体,具有很低的熔点及很高的沸点,室温呈液态,蒸汽压低,稳定性好,与非极性溶剂互溶度极低;具有极高的脱硫效率,可在3~6min达到脱硫的萃取平衡;选择性高,不会对原来的非极性溶液产生污染及着色。该发明的磁性离子液体之中,当n=1.5~2时,具有很高的顺磁性,其比磁化系数大于59.1×10-6emu/g,优于已有的报道。因此,萃取脱硫结束后可以通过外加磁场的方法方便地实现离子液体和非极性溶剂的分离。该类磁性离子液体通过加水稀释并用四氯化碳反萃取的方法能恢复其性能,并且可以循环多次使用而不会引起脱硫效率的明显降低。脱除的含硫芳环化合物也能通过减压蒸馏富集并实现回收利用。
四川大学 2017-12-28
用于检测β-胡萝卜素类色素的单克隆抗体及酶联免疫技术与试剂盒
该项目研制的酶联免疫检测技术包括免疫原、包被原、抗体的制备以及样品的处理和检测等步骤。能一次性测出样品中斑蝥黄、β-胡萝卜素、β-阿朴-8’-胡萝卜素醛、叶黄素、辣椒红素、β-紫罗酮酸的总含量,缩短了检测时间,降低了检测成本,同时具有检测灵敏度高、精密度好、准确性好的特点。 该项目缩短了检测时间,降低了检测成本,同时具有检测灵敏度高、精密度好、准确性好的特点。 成果完成时间:2013年
华中农业大学 2021-01-12
智能服务语义理解与优化调度
针对目前智能服务系统在服务过程中存在的人机交互语 义理解不够深入、服务适配实时性差、以及智能化优化不足 等问题,利用深度学习、强化学习、知识图谱等技术手段, 重点研究:1)高效低成本的服务数据获取方法,为各类基 于机器学习的服务模型提供高质量训练数据;2)面向服务 过程的深度语义理解,包括服务意图识别、服务过程抽取、 事件检测等;3)面向复杂服务需求的服务任务智能调度, 结合具体服务场景展开基于多目标多约束的智能优化。
浙江工业大学 2021-05-06
一种智能道路运输管理系统
该系统可以完成整车直发、零担干线、零担配送、城配、短驳等运输业务,功能涵盖基础设置、货票合同、签收回单、运输计划,调度派车、运单管理、货物交接、异常处理、回车、行车可视化追踪,以及对账、收付款和费用结算等;可对中小运输企业的“车、货、场、人”进行全面管理,最大程度上提高作业效率和人员绩效。该系统以自主研发的基于动态容重比的智能配载优化算法为技术核心,可代替传统的人工排线和调度,大幅度提升车辆配载效率,平均降低物流成本 10%~15%,可以为中小型运输企业(如专线、零担、城配)提供从“接单-配载调度-运输-回单-回款”的全流程运输解决方案。
华东交通大学 2021-05-04
输配电设备多参数智能传感系统
系统非接触式实现变电站及所有设备的异常监测,包括全景视频、温度和局部放电。对GIS、变压器、电抗器、开关、电缆、CT、PT等一次设备各部件温度及各类绝缘缺陷,违规作业、异物入侵等实施直接监测或计算外推,并实时智能预警。系统由多物理量值守机器人、智能云APP和大数据后台组成,值守机器人集成局部放电、红外测温、视频图像及声音诊断等传感器,并具备初步的人工智能算法和设备异常诊断能力,后台包括设备管理和大数据评估功能模块,APP接收智能终端和后台信息,主要显示诊断结果、数据内容,并实现人机交互。通信方式有无线、有线两种。 局放传感模块、红外传感模块、视频模块、气体传感模块、声音模块、油色谱等不同功能模块可根据实际情况合理增减搭配使用。产品的集成度高,远距离非接触采集信息,高智能、高可靠、低成本。近5年来,使用该技术发现了48起变电站内潜在故障隐患,避免了多起停电事故。 本项目经过十余年的研发与产学研合作,对应了目前泛在电力物联网的总体思路和要求,具有多个电网公司的应用案例,取得了一系列国际上具有独创性的成果。 适用范围广  能在高温、低温、高湿等环境条件下可靠运行,防水防尘。 多物理量协同  集成局放、红外、视频、声音等传感器,同时监测变压器、敞开式开关、电抗器等变电站内一次设备的局放信号、红外热像、视频信息,实现多传感器的高效结合及协调诊断。 使用方便  配备智能云APP,实时接收现场值守机器人采集的数据,实现人机交互,能够早期发现缺陷,判断缺陷位置,提高现场人员的工作效率。 智能化程度高  监测的数据可以通过无线网络或有线数据同步传输,嵌入人工智能算法,提高了监测数据及时率、准确率及有效性。 安装方便  值守机器人体积小,重量轻,一键式安装。有线通信与无线通信系统自动切换,内部参数可以通过手机设置。 性价比高  采用低成本、高可靠技术路线,通过人工智能算法降低硬件的复杂性。 目前该系统已获得14项国内发明专利授权、3项PCT专利授权、8项实用新型专利、软件著作权登记3项。高电压技术、电力设备智能监测领域权威期刊上发表论文30篇。应用在国家电网、中国石化30多个变电站,有三百多套挂网运行。 不同场景的实物及应用照片,或原理图解 图1 长距离多参数智能传感器(视频、红外、局放、声音+人工智能边缘计算) 图2 短距离多参数智能传感器(视频、红外、局放、声音+人工智能边缘计算) 图3 用户报告 图4 变电站安装监测 图5 大数据后台应用
上海交通大学 2021-05-11
智能应用片上系统(SOC)系列芯片
项目简介: 针对设备如何正确理解人类的逻辑和时序知识,并将获得的知识便捷的转换为当前计算机体系的执行代码的问题,设计了用于智能应用的SOC芯片。此芯片由当前通用微处理器和相应的固件构成,固件由操作系统、类似人脑树突学习和推理的新型思维模型和通用通信模块构成,SOC系列芯片可以解决认知人类逻辑、时序思维的问题,具备了一定的认知智能。系列芯片可分无带代码编程的控制芯片,无代码编程的总线与网络通信芯片,低代码编程的运动控制芯片,制造业核心控制设备本质安全芯片等几个系列的芯片。 技术的创造性与先进性、创新要点: 01)、提出了类人思维计算理论方法 02)、有别于冯诺曼和哈弗结构的计算机运行架构  a、传统的计算机程序由程序员完成,新的框架和机制要求计算机 程序由使用者经过简单培训便可完成,改变了目前程开发模 式。  b、应用开发过程可直接认知和理解以人类思维描述的开发目标 几乎无需编写代码,与现有单片机、PLC等开发模式完全不同, 具备了认知人类知识和经验的高等级人工智能功。 c、与现有的开发模式和开发工具相比,对开发人员专业技能要求大大降低,应用开发效率极大提高。 03)、以人类思维的视角而非二进制运算的模式进行计算机数据的处理。 获奖情况: 获2016年山东省科技进步一等奖
山东大学 2021-05-11
基于物联网的大棚智能滴灌设备
成果描述:本实用新型公开了基于物联网的大棚智能滴灌设备,其包括控制模块,设置于大棚内的储水箱,若干埋设于土壤内、与储水箱导通的主水管和与控制模块连接、通过物联网与外部控制中心进行通信的通信模块;滴灌管的进口端均设置有与控制模块进行通信的电磁阀,且每个电磁阀均具有唯一的身份标识;大棚所在土壤内均匀地布设有若干湿度传感器;每根滴灌管的入口端均设置有与控制模块进行通信的流量传感器,且每个流量传感器均具有唯一的身份标识。市场前景分析:本实用新型公开了基于物联网的大棚智能滴灌设备,其包括控制模块,设置于大棚内的储水箱,若干埋设于土壤内、与储水箱导通的主水管和与控制模块连接、通过物联网与外部控制中心进行通信的通信模块;滴灌管的进口端均设置有与控制模块进行通信的电磁阀,且每个电磁阀均具有唯一的身份标识;大棚所在土壤内均匀地布设有若干湿度传感器;每根滴灌管的入口端均设置有与控制模块进行通信的流量传感器,且每个流量传感器均具有唯一的身份标识。与同类成果相比的优势分析:国内领先
成都大学 2021-04-10
轻巧长臂智能消毒机器人
2020年1月29日,华南农业大学农村科技特派员邹湘军团队联合广东若铂智能机器人有限公司、仲恺农业工程学院积极开展合作,迅速成立了“新型病毒消毒与体温检测机器人研发”小组。研发组采取微信群线上沟通,线下独立操作的方式,合作研制了基于视觉的轻巧长臂智能消毒机器人,有利于让作业人员远离病毒,防止病毒扩散。
华南理工大学 2021-04-10
穿梭板智能机器人泊车系统
针对我国停车位缺口巨大、传统立体车库构造复杂且维护不便等行业痛点,本项目团队研发了全新的穿梭板智能机器人泊车系统。该系统由超薄全向,夹运一体的全自主智能泊车机器人及智能调度控制系统组成。无需任何轨道,导向机构,运输大车等装置,只需配以平面地平,标准升降平台,即可搭建智能立体车库,并可衍生出超高密度立体车库,平面智能泊车等解决方案。本项目对标并替代现有高端立体车库产品,可盘活废旧立库或建筑,拓展新型应用市场。
华中科技大学 2021-04-10
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