Hierarchical Transformer for Motor Imagery-Based Brain Computer Interface

计算机科学 变压器 脑-机接口 人工智能 运动表象 脑电图 语音识别 模式识别(心理学) 工程类 电压 电气工程 心理学 精神科
作者
Permana Deny,Sahng Hoon Cheon,Hayoung Son,Kae Won Choi
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:27 (11): 5459-5470
标识
DOI:10.1109/jbhi.2023.3304646
摘要

In this paper, we propose a novel transformer-based classification algorithm for the brain computer interface (BCI) using a motor imagery (MI) electroencephalogram (EEG) signal. To design the MI classification algorithm, we apply an up-to-date deep learning model, the transformer, that has revolutionized the natural language processing (NLP) and successfully widened its application to many other domains such as the computer vision. Within a long MI trial spanning a few seconds, the classification algorithm should give more attention to the time periods during which the intended motor task is imagined by the subject without any artifact. To achieve this goal, we propose a hierarchical transformer architecture that consists of a high-level transformer (HLT) and a low-level transformer (LLT). We break down a long MI trial into a number of short-term intervals. The LLT extracts a feature from each short-term interval, and the HLT pays more attention to the features from more relevant short-term intervals by using the self-attention mechanism of the transformer. We have done extensive tests of the proposed scheme on four open MI datasets, and shown that the proposed hierarchical transformer excels in both the subject-dependent and subject-independent tests.
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