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High-Order Temporal Convolutional Network for Improving Classification Performance of SSVEP-EEG - 19/03/24

Doi : 10.1016/j.irbm.2024.100830 
Jianli Yang , Songlei Zhao , Wei Zhang , Xiuling Liu
 Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province, College of Electronic and Information Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China 

Corresponding author.

Abstract

Background and objective

Steady-state visual evoked potential (SSVEP)-based brain-computer interfaces (BCIs) aim to detect target frequencies corresponding to specific commands in electroencephalographic (EEG) signals by classification algorithms to achieve the desired control. However, SSVEP signals suffer from low signal-to-noise ratio and large differences in brain activity. Moreover, the existing CNN models have small receptive fields, which make it difficult to receive large range of feature information and limit the effectiveness of classification algorithms.

Methods

To this end, we proposed a high-order temporal convolutional neural network (HOT-CNN) model for enhancing the performance of SSVEP target recognition. Specifically, the SSVEP-EEG signals was divided into equal-length time segments and a time-slice attention module was designed to capture the correlation between time slices. The module improves the local characterization of signals and reduces biological noise interference by automatically assigning high weights to locally relevant temporal sampling cues and lower weights to other temporal cues. Moreover, for global features, a temporal convolutional network module was designed to increases the receptive field of the network and to extract more comprehensive time domain features by using dilated causal convolution. Finally, the fusion and analysis of local and global features are achieved by designing a feature fusion and classification module to accomplish accurate classification of SSVEP signals.

Results

Our method was evaluated on large publicly available datasets containing 35 subjects and 40 categories. Experimental results indicated that HOT-CNN achieved encouraging performance compared with other advanced methods: the highest information transfer rate of 241.01bits/min was obtained using 0.5s stimuli, and the highest average accuracy of 96.39% was obtained using 1.0s stimuli.

Conclusions

The method effectively reinforced the global and local time-domain information and improved the classification performance of SSVEP, which has wide application prospects.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Graphical abstract

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Highlights

Novel high-order temporal convolutional neural network model was proposed.
TSA can enhance SSVEP-related local temporal features.
TCN enlarges the network's receptive field.
HOT-CNN achieves performance superior to state-of-the-art ML and DL methods.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Keywords : Brain-computer interface (BCI), Steady-state visual evoked potential (SSVEP), Electroencephalographic (EEG), Time-slice, Temporal convolutional network


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