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One-Dimensional Convolutional Multi-branch Fusion Network for EEG-Based Motor Imagery Classification - 18/11/23

Doi : 10.1016/j.irbm.2023.100812 
Xiaoguang Liu a, b, Mingjin Zhang a, b, Shicheng Xiong a, b, Xiaodong Wang c, Tie Liang a, b, Jun Li a, b, Peng Xiong a, b, Hongrui Wang a, b, Xiuling Liu a, b,
a College of Electronics and Information Engineering, Hebei University, Baoding, Hebei, China 
b Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province, Hebei University, Baoding, Hebei, China 
c Affiliated Hospital of Hebei University, China 

Corresponding author.

Abstract

The Brain-Computer Interface (BCI) system based on motor imagery (MI) is a hot research topic nowadays, which can control external devices through the brain and has a wide range of applications in rehabilitation, gaming, and entertainment. Due to the non-smooth, non-linear, and low signal-to-noise ratio of the MI EEG signal, it is challenging to accurately decode the MI task intention. A new end-to-end deep learning method is proposed to decode raw MI EEG signals without preprocessing, such as filtering and feature reinforcement. The 1D convolution is used to learn the time-frequency features in MI signals, and a four-branch fusion network is used as the main body to add a 1D CNN-AE block and 1D SE-block to enhance the algorithm's performance. Experiments on two publicly available datasets demonstrate that our proposed algorithm outperforms the current state-of-the-art methods. It achieves 86.11% and 89.51% on the BCI Competition IV-2a and the BCI Competition IV-2b datasets, respectively, and a 6.9% improvement in the generalizability test. The proposed data enhancement method can effectively alleviate the overfitting of the algorithm and improve the decoding performance. Further analysis shows that 1D convolution can effectively extract the features associated with the MI task.

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Graphical abstract

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Highlights

Using raw MI EEG signals as input requires no additional preprocessing.
It achieves good results in the decoding of multi-class MI tasks.
1D convolution is more suitable for extracting raw EEG features than 2D convolution.
The proposed data augmentation method can effectively alleviate the overfitting of the algorithm and improve the decoding performance.

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Keywords : Brain-Computer Interface (BCI), Electroencephalography (EEG), Motor imagery (MI), 1D Convolutional neural network


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Vol 44 - N° 6

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