脑电情绪识别：脑功能连接网络与局部激活信息结合
作者丨張瑋瑋
學校丨東北大學碩士生
研究方向丨情緒識別
引言
論文動機
情緒狀態(tài)的轉變通常會激活腦電功率譜的變化。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，不同的情緒狀態(tài)造成的腦電圖波譜的差異在腦電 α 頻帶比較明顯，并可以在大腦前部區(qū)域捕捉到。另外，情感反應也與不同大腦區(qū)域之間的波譜變化有關，因此，不同腦區(qū)腦電圖波譜的變化能夠預測受試者不同的情緒狀態(tài)。
如前所述，激活模式可以捕捉被試在感受不同情緒時大腦各個區(qū)域之間的功率差異，而不同大腦區(qū)域之間的連接模式則可以表現(xiàn)大腦進行情感處理時的信息交互過程。目前，利用這兩種補償信息的模式融合進行情緒識別的研究工作比較少。
論文工作
本文將大腦不同區(qū)域的信息網(wǎng)絡傳播模式和腦內激活差異融合起來，以提高情緒識別的能力。方法：構建具有相位鎖定值的情緒相關腦網(wǎng)絡，采用多特征融合方法將補償激活信息與連接信息相結合進行情緒識別。
論文方法
▲?圖1.?情緒識別過程
激活模式
激活模式主要反映被試者在不同情緒狀態(tài)下的能量差異。作者主要研究了功率譜密度（PSD），微分熵（DE），DASM，RASM，ASM，DCAU 這六個能量特征分布在不同情緒下的表現(xiàn)，如圖 2 所示。其中，從圖中可以看到 beta 和 gamma 頻段產(chǎn)生了顯著差異。
▲?圖2.?不同情緒下腦電激活模式
連接模式
由于不同腦區(qū)之間的同步活動并不是單純的線性關系，在本文中，作者提出了相位鎖定（PLV）的方法來捕捉非線性相位同步，統(tǒng)計測量兩個腦區(qū)的相位同步。PLV 的定義如下：
為了構建腦功能網(wǎng)絡圖，本文將 32 個電極作為網(wǎng)絡節(jié)點，利用圖論的知識，提取了四種腦電網(wǎng)絡圖特征（EEG based network patterns, ENP）。?
聚類指數(shù)量化了一個節(jié)點的最近鄰之間存在的連接數(shù)與最大可能連接數(shù)的比例，節(jié)點i的聚類指數(shù)在中定義為：
SP-Length 表示從一個節(jié)點到另一個節(jié)點必須遍歷的最小邊數(shù)。
其中：
G-Efficient 度量信息在整個網(wǎng)絡中傳播的程度，是任意兩個節(jié)點之間最小路徑長度的調和平均值的倒數(shù)。
L-Efficient 通過觀察其子網(wǎng)絡的良好連接來衡量網(wǎng)絡的區(qū)域專業(yè)化能力。
▲?圖3.?不同情緒下的腦功能網(wǎng)絡圖
模式融合
激活模式捕捉對情緒作出反應的局部活動，而連接模式挖掘相關腦區(qū)之間的相互作用。將這兩種模式融合的難點主要是這兩種特征類型中存在的冗余信息可能會意外地影響識別效果。在本工作中，將 F-score 和分類器依賴結構相結合來實現(xiàn)特征選擇，如圖 1，這樣既保證了所選特征子集的分辨能力，又節(jié)省了計算量。
第 i 個特征的 F-score 定義為：
F(i) 越大，說明對應特征的鑒別能力越強。對所有 F-score 值的降序排序，本文應用支持向量機（SVM）和圖正則化極值學習機（GELM）的模型，并采用 10 倍交叉驗證方案來選擇基于訓練集的廣義特征。特征選擇的步驟如下：?
1. 計算訓練集中所有特征的 F-score 值，并按降序排序，定義為 F，并將一個特性子集Fsel初始化為空。將最佳分類結果定義為 MaxR，并將其設置為 0。將最優(yōu)特性索引初始化為空。
2. 從 f 中選擇 f 得分最高的特征向量，將選擇的向量加入到 Fsel 中。?
3. Fsel 進行 10 倍交叉驗證,估計平均分類精度 μ。?
4. 重復步驟 2 到 4 直到遍歷完畢。
▲?圖4. 特征選擇過程
最大化識別器的上述損失函數(shù)，特征提取過程會產(chǎn)生域不變的特征，從而消減情緒識別中的域差異。
結果
為了評估本文方法的性能，本文在三個基準的基于多模態(tài)的情緒數(shù)據(jù)庫上進行了實驗，即 MAHNOB-HCI、DEAP 和 SEED。從本質上說，多模態(tài)信息方法的性能改進是由于利用了從激活模式和連接模式中獲得的補償信息。
實驗結果如圖 5 所示，多模態(tài)方法相對于單模態(tài)方法有助于提高識別性能。除了提高融合策略的性能外，還需要注意影響情緒識別的另外兩個方面，一是在不同的數(shù)據(jù)集上觀察到不同的準確性，SEED 數(shù)據(jù)集表現(xiàn)最好。另一點是，由于不同的設計目的，不同的特征選擇方法可能會導致最佳特征子集的差異。
▲?圖5. 實驗結果
結論
在這項工作中，作者提出將腦網(wǎng)絡拓撲結構和基于腦電圖數(shù)據(jù)的功率譜激活模式結合起來進行情緒識別。該方法不僅捕捉了局部的情緒反應活動，而且挖掘了相關腦區(qū)之間的相互作用。
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總結
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