上海高研院在腦機(jī)接口解碼置信度評(píng)價(jià)問題上取得重要進(jìn)展????
情感腦機(jī)接口(affective Brain–Computer Interface, aBCI)正逐漸成為心理健康監(jiān)測(cè)、情感人機(jī)交互等領(lǐng)域的核心技術(shù)之一,并在抑郁癥、自閉癥、阿爾茨海默病等疾病的臨床診療展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而,現(xiàn)有研究大多局限于理想化或小規(guī)模實(shí)驗(yàn)條件,對(duì) aBCI 在真實(shí)場(chǎng)景下的可靠性缺乏關(guān)注。實(shí)際應(yīng)用中,受到環(huán)境噪聲、傳感器狀態(tài)以及受試者異質(zhì)生理狀態(tài)等不利因素的影響,現(xiàn)有aBCI系統(tǒng)往往出現(xiàn)不可預(yù)知的系統(tǒng)失效。對(duì)于此類隱患,已有研究在警示與評(píng)估機(jī)制方面存在顯著空白,缺乏能夠?qū)崟r(shí)反映系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)暴露水平的有效手段。這使得用戶無法在關(guān)鍵時(shí)刻區(qū)分高可信與低可信的系統(tǒng)輸出,易引導(dǎo)用戶在醫(yī)療診斷、心理理療、公共安全監(jiān)控等敏感場(chǎng)景中引發(fā)誤判或延遲干預(yù),造成不可逆后果。這類可信性問題已成為制約aBCI從小規(guī)模驗(yàn)證邁向產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模臨床部署的關(guān)鍵瓶頸。

圖1.所提技術(shù)架構(gòu)
針對(duì)該痛點(diǎn),中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(以下簡(jiǎn)稱“上海高研院”)智能信息中心下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)提出首個(gè)情感腦機(jī)接口的可信度估計(jì)框架,從而實(shí)現(xiàn)情感腦機(jī)接口決策風(fēng)險(xiǎn)的全面即時(shí)評(píng)估,為醫(yī)療專家提供關(guān)于系統(tǒng)可信度的決策支持。該框架采取投影算子(Projection Operator)、縮放算子(Scaling Operator)與分類輸出層的深度耦合架構(gòu)。其中,投影算子對(duì)潛在情感特征空間動(dòng)態(tài)遷移,適應(yīng)不同受試者間的個(gè)體及跨場(chǎng)景分布差異,增強(qiáng)所提框架在復(fù)雜應(yīng)用下的泛化能力與抗噪穩(wěn)健性;縮放算子從全局修正普遍存在的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)偏差,并通過優(yōu)化可信度分?jǐn)?shù)分布結(jié)構(gòu),對(duì)齊預(yù)測(cè)可信性與系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)之間的深層映射。雙算子協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)分布偏移語境下的aBCI可信度魯棒估計(jì);理論推導(dǎo)證明所提估計(jì)器為最大熵原理下的唯一解,具有信息熵意義下的最優(yōu)一致性與可解釋性。在 SEED 與 SEED-IV 兩個(gè)情感 EEG 數(shù)據(jù)集上的評(píng)估顯示,所提框架在可信性估計(jì)精度、跨個(gè)體泛化能力及異常狀態(tài)識(shí)別敏感性三個(gè)方面均顯著優(yōu)于現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。相關(guān)研究成果以 Enhancing the Reliability of Affective Brain-Computer Interfaces by Using Specifically Designed Confidence Estimator 為題,發(fā)表于計(jì)算生物學(xué)領(lǐng)域期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics。該研究有望構(gòu)建腦機(jī)接口可信度建模與風(fēng)險(xiǎn)控制的基石性理論,推動(dòng)情感腦機(jī)接口由單一性能導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)榧骖櫩尚判缘木C合導(dǎo)向,并為 aBCI 在疾病診療、心理健康管理及公共安全監(jiān)測(cè)等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景中的安全部署提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)保障。

圖2.投影算子動(dòng)態(tài)適配跨個(gè)體與跨環(huán)境的分布變化原理示意圖
研究工作由中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院牽頭,聯(lián)合了上海大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)周婷教授團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成。論文第一作者為智能信息中心博士研究生王嘉衡,論文通訊作者為智能信息中心胡宏林研究員。本工作得到了國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)專項(xiàng)項(xiàng)目以及上海市“啟明星”人才計(jì)劃的資助支持。(王嘉衡、王振宇、徐天衡、李昂、司源、周婷、趙曦、胡宏林)
文章鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/11106679
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