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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
挥发性有机污染物 VOCs 处理系列关键技术与设备
本项目包括三大核心技术: 1、强制冷凝 VOCs 废气处理设备,创造性地将强制换热技术改造后应用于 VOCs 强制冷凝处理工艺中,针对高浓度有机废气,回收经冷凝的 VOCs 物质,同时回收废气中的温度生产热水。设备内表面均采用实验室自行研发的特殊拒油涂层处理,以防止有机物质对冷凝器的污染,提高冷凝装置稳定运行效率并降低设备维护成本。 2、开发的光催化氧化剂和附着技术 克服纳米光催化剂易团聚、易流失的弊端,开发出新型快速的光催化剂负载技术,能够大大推进光催化剂在废水、废气中的实际应用,负载材料廉价易得,加工方便,寿命长,具有巨大的比表面积,能够在吸附 VOCs 物质的同时,直接发生光催化反应,将 VOCs 物质完全矿化。 3、开发的高效苯吸收液及分层技术 采用特殊吸收液配方制备能够分层的高效苯吸收液,能够有效地 吸收废气中的苯、甲苯、二甲苯等有毒有害物质,净化 VOCs 废气。吸收的 VOCs 物质能够静置分层,从而能够更快速地富集,方便下一步的回收分离,吸收液可以重复使用。 三大技术可以互相结合为工艺组合,在高浓度有机废气的净化与有价值物质的回收、油烟净化、企业 VOCs 治理等方面具有广阔地应用前景。已成功解决了河北省三家企业的 VOCs 处理与排放问题。
南开大学 2021-02-01
挥发性有机污染物 VOCs 处理系列关键技术与设备
项目成果/简介:本项目包括三大核心技术: 1、强制冷凝 VOCs 废气处理设备,创造性地将强制换热技术改造后应用于 VOCs 强制冷凝处理工艺中,针对高浓度有机废气,回收经冷凝的 VOCs 物质,同时回收废气中的温度生产热水。设备内表面均采用实验室自行研发的特殊拒油涂层处理,以防止有机物质对冷凝器的污染,提高冷凝装置稳定运行效率并降低设备维护成本。 2、开发的光催化氧化剂和附着技术 克服纳米光催化剂易团聚、易流失的弊端,开发出新型快速的光催化剂负载技术,能够大大推进光催化剂在废水、废气中的实际应用,负载材料廉价易得,加工方便,寿命长,具有巨大的比表面积,能够在吸附 VOCs 物质的同时,直接发生光催化反应,将 VOCs 物质完全矿化。 3、开发的高效苯吸收液及分层技术 采用特殊吸收液配方制备能够分层的高效苯吸收液,能够有效地 吸收废气中的苯、甲苯、二甲苯等有毒有害物质,净化 VOCs 废气。吸收的 VOCs 物质能够静置分层,从而能够更快速地富集,方便下一步的回收分离,吸收液可以重复使用。 三大技术可以互相结合为工艺组合,在高浓度有机废气的净化与有价值物质的回收、油烟净化、企业 VOCs 治理等方面具有广阔地应用前景。已成功解决了河北省三家企业的 VOCs 处理与排放问题。应用范围:VOCs 治理工况复杂、技术路线众多也决定了这一行业的发展特点:市场分散,需求多样化,企业要想把规模做大很困难。正因为市场分散,VOCs 治理行业要垄断也不容易,市场完全开放,各家企业凭借自身的技术、策略来获得竞争优势,这个市场在未来几年将以30%的速度增长。 VOCs 污染治理正在起步,有望撬动近 700 亿产值。目前,国内VOCs 污染平均治理成本约 500-600 万元,按每座工业园 5 家企业参 102与治理,省均 150 个工业园区,全国 20 个省保守估算,市场空间将达到 625~750 亿元。未来,随国内 VOCs 排放标准有望提高,VOCs治理投资有望进一步增加。 投资估计:投资 500 万元, 经济和社会效益:利润率 20-30%,经济效益显著,污染物减排效果显著。效益分析:自 2005 年企业进行 VOCs 产生全过程分析,积累了大量第一手资料, 2013 年于宏兵承担了环保部大气污染治理应急项目 VOCs 污染控制欲核算方法研究项目,对工业企业 VOCs 排放特征、排放量核算技术方法和 VOCs 处理技术绩效进行评估,建立了天津的 VOCs污染控制体系。在 VOCs 污染前端预防、后端治理技术研究中积累了丰富的经验。 南开大学清洁生产研究中心以南开大学科研平台为依托,自身拥有 XRD、同步热重分析仪、便携式气相色谱仪、液相色谱仪等大中型仪器共计 25 台,价值合计 300 余万元,拥有非常雄厚的技术力量支撑科研工作。
南开大学 2021-04-11
分散式潜流园林绿地污水处理多元化功能集成技术
适用于村镇、别墅区、风景旅游区、养老院、厂矿、畜禽养殖场、垃圾填埋场等远离污水管网的地区进行雨污水处理,以及提升河道、人工湖等地表水体景观的可持续自净容量与游憩性的多元化服务功能生态建设领域通过在绿地下添加改性滤料、种植特定耐水湿树木,将绿地或地表水坡岸作为理化与生化的生态智能控制净化反应器,形成动植物、微生物与水体污染物之间自组装的物质循环及生态动力学自净系统;通过绿地或坡岸下嵌入生态智能控制净化反应箱,将天然净化反应器与地表水体廊道式净水装置合用,实现了地表水坡岸生态基础建设功能的多元化,及维系地表水可持续自然净化的一种创新性体验。确保净化装置所具有一劳永逸的可持续性成效  
天津城建大学 2021-04-11
双氧水后处理系统分离技术设计和装置改造
成果与项目的背景及主要用途: 双氧水是重要的无机化工产品,广泛应用于国民经济各个领域。目前国内双 氧水生产主要采用蒽醌法,蒽醌法生产双氧水较电解法具有能耗少、成本低和易 于实现大规模生产等优点。蒽醌法双氧水生产工艺一般包括氢化工序、氧化工序、 萃取净化工序和后处理工序及其他辅助工序,由于蒽醌法生产工作液系统循环工 作的特殊性,对后处理工序的要求很高。它除脱除工作液的水分、调节 pH 值、 分解萃余双氧水外,更有对工作液进行洗涤、清除其中杂质、再生降解物的作用, 是双氧水生产中的一个关键工序。 技术原理与工艺流程简介: 9天津大学科技成果选编 10 在双氧水生产过程中分离操作是非常重要的过程,主要设备有萃取分离塔、 干燥器和碱分离器。若萃取塔的萃余液中双氧水分离不好,将增加干燥塔中碱的 消耗,若碱沉降器分离不好,将使白土床氧化铝失效快,增加氧化铝消耗和影响 蒽醌降解物再生效果,并且易使整个工作液系统呈现恶性循环,给安全生产带来 隐患。 针对上述情况,天津大学对双氧水后处理系统采用先进的塑料聚集板技术, 这样大大提高分离效率,且可以减小分离器容积。这种结构油水分离器的优点是: 1、塑料波纹板是正反交错叠置放入分离器内,作为一个多层板油水分离器, 不需内部固定支撑部件的条件下,尽可能缩小板距,提高脱油效率,且安装、检 修方便。 2、液流在波纹板组通道内的流动路程呈“之”字形,流动方向和流动截面均 在不断变化,这就为油滴在波纹板表面的粘附聚结和油滴之间的碰撞聚结,提供 了更多的机会,油滴在浮升过程中聚结,在聚结过程中浮升,从而有效地提高了 脱油效率。 3、可以采用波峰高度较低的波纹板,板组的当量直径小,能在较大处理量、 较短停留时间下,保持层流状态;且板组内液流分布比较均匀,避免了由于短路 和死角等造成的不良影响。 4、对于卧式分离器,在原料进入端加装一段垂直放置的波纹板,既有利于 液流分布均匀,又对固体悬浮物也有一定脱除作用。 技术水平及专利与获奖情况: 国际先进水平;获国家发明专利一项;获天津市科技奖。 本成果采用先进的分离技术和装置对双氧水后处理系统进行设计和改造,可 以使原装置扩产 40%~120%的条件下,干燥塔出口处碱含量低于 8 毫克/升,沉 降器出口处碱含量低于 4 毫克/升,萃取塔的萃余液中双氧水的含量低于 0.15 克/ 升。 应用前景分析及效益预测: 国内已有数十家企业采用蒽醌法生产双氧水,普遍存在后处理系统落后的缺 点。因此,采用先进的分离技术和装置对双氧水企业进行改造将具有广阔的应用天津大学科技成果选编 前景。如:某双氧水厂原来从碱沉降器排出的碳酸钾溶液量为 0.5m3 /h,有时萃 余液含双氧水高时,排出的碳酸钾溶液每小时高达几个立方米,碳酸钾消耗量为 3.0 公斤/吨双氧水,后续处理过程活性氧化铝消耗量为 11.5 公斤/吨双氧水。对 干燥塔和碱沉降器进行改造后,经过安装试运行,六个月来生产稳定,物料夹带 碳酸钾溶液量极少,每日从碱沉降器排出的碳酸钾溶液量为 0.08 立方米。碳酸 钾消耗量为 0.6 公斤/吨双氧水,活性氧化铝消耗量为 5.2 公斤/吨双氧水;全年节 省各项消耗达 132 万元。 应用领域: 现有双氧水生产企业和新建双氧水企业。 技术转化条件(包括:原料、设备、厂房面积的要求及投资规模): 现有双氧水生产装置或新建双氧水装置设计及提供设备。 合作方式及条件: 技术服务和装置内件供货。
天津大学 2021-04-11
一种协同处理垃圾焚烧飞灰和垃圾渗滤液的方法
本发明公开了一种协同处理垃圾焚烧飞灰和垃圾渗滤液的方法,该方法依次将焚烧飞灰、垃圾渗滤液、空气/氧气注入至高温高压反应釜中进行无害化处置,垃圾渗滤液和垃圾焚烧飞灰的液/固比可以根据垃圾焚烧厂实际情况而定,反应温度为150℃-250℃,注入氧气的浓度为垃圾渗滤液原始COD的1.2倍,通过该方法处理,垃圾焚烧飞灰中的二噁英等有机污染物基本降解,稳定化后的重金属的浸出毒性全部达标,同时显著降低垃圾渗滤液中的COD、氨氮、悬浮颗粒和总有机碳等指标,本发明具有处理效率高、处理成本较低、适用范围广,同时不产生有毒副产物等特点,具有良好的应用前景。
浙江大学 2021-04-11
三阶段厌氧工艺技术处理高浓度有机废水
1.项目简介 本项目是省环保局经省政府同意下达的重大科技攻关项目“黄姜皂素废水综合治理工业性试验”的攻关成果。黄姜皂素综合废水的COD浓度在30000~40000mg/L,pH值为0.6~1.5左右,色度为3500倍,其中的Cl-或SO42-的浓度及还原性糖度较高,并且含有对微生物有毒的物质,极难处理。因此,目前所建成的治污设施都无法正常运行。本成果创立了以水解酸化-内电解-改进UASB厌氧为流程的三阶段厌氧工艺技术,并以此为核心与生物接触氧化、催化氧化脱色优化组合为一套新型的工业废水处理工艺。对当前应用的热点--两阶段厌氧工艺进行了创新,将该工艺技术应用于黄姜皂素废水处理,取得重大突破,为保护南水北调中线工程水源、促进黄姜产业可持续发展作出了重要贡献。该成果通过了省环保局组织的专家鉴定,成果为同类技术领先水平,被省科技厅认定为湖北省重大科学技术成果(成果登记号(EK040749)。本成果已申请国家发明专利(国家知识产权局受理号200410013271.7,公开号CN1583599A)。2.主要技术指标 废水经三段厌氧处理后,COD从进水的34000~39000mg/L,到出水COD浓度在2000mg/L左右,COD去除94%以上;然后进入生物接触氧化池好氧曝气,废水中的COD进一步下降至450mg/L以下,NH3-N的去除率在60%以上;经好氧处理的废水再经催化氧化脱色,其COD下降至200mg/L左右,BOD降至30mg/L左右,色度下降至60倍以下,运行费用约为5元/m3。
武汉工程大学 2021-04-11
江南大学通风与废气处理系统购置项目公开招标公告
江南大学通风与废气处理系统购置项目招标项目的潜在投标人应在江苏省南京市鼓楼区郑和中路118号D座16楼1612室(邮购)获取招标文件,并于2022年06月29日09点00分(北京时间)前递交投标文件。
江南大学 2022-06-09
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