Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

چارچوبی قابل‌تفسیر مبتنی بر یادگیری خصمانه دامنه برای تشخیص هیجان با استفاده از کانال‌های پراکنده الکتروانسفالوگرافی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهید بهشتی

2 دانشگاه شهیدبهشتی، دانشکده مهندسی برق

10.22041/ijbme.2026.2093803.2048
چکیده
تشخیص هیجان از روی سیگنال الکتروانسفالوگرافی (EEG) به‌دلیل تغییرپذیری بین‌فردی و نیاز به تعداد نسبتاً زیادی کانال، با چالش تعمیم‌پذیری و توسعه سامانه‌های کم‌کانال مواجه است. در این پژوهش، چارچوبی قابل‌تفسیر مبتنی بر یادگیری خصمانه دامنه برای تشخیص هیجان با استفاده از کانال‌های پراکنده EEG ارائه می‌شود. پس از پیش‌پردازش، از هر کانال ۱۱۱ ویژگی زمانی، فرکانسی، زمان‌فرکانسی و غیرخطی استخراج شد و با استفاده از الگوریتم ReliefF، تعداد ویژگی‌ها در پایگاه‌های ECSMP و GAMEEMO به‌ترتیب به ۴۳ و ۶۸ ویژگی کاهش یافت. سپس، یک شبکه عصبی تطبیق دامنه (DANN) مجهز به لایه معکوس‌کننده گرادیان برای کاهش تغییرپذیری بین‌فردی به‌کار گرفته شد و عملکرد مدل با اعتبارسنجی متقابل پنج‌تایی در سطح شرکت‌کننده ارزیابی شد. روش پیشنهادی در پایگاه GAMEEMO به دقت ۹۹٫۴۰٪ دست یافت که در مقایسه با بهترین نتیجه گزارش‌شده در مطالعات پیشین، حدود ۴ درصد بالاتر بود. در پایگاه ECSMP نیز، با استفاده از تنها ۷ کانال پیشانی و بدون بهره‌گیری از سیگنال‌های کمکی، دقت ۹۶٫۴۳٪ به‌دست آمد که از دقت گزارش‌شده در روش چندحالته مورد مقایسه بالاتر بود. تحلیل SHAP نشان داد که برخی ویژگی‌های مبتنی بر موجک و ویژگی‌های زمانی و دامنه‌ای، به‌ویژه در کانال‌های پیشانی، سهم قابل‌توجهی در تصمیم‌های مدل داشتند. در مجموع، ترکیب انتخاب ویژگی مبتنی بر ReliefF و یادگیری خصمانه دامنه با DANN، ضمن کاهش قابل‌توجه تعداد ویژگی‌ها، به بهبود عملکرد تشخیص هیجان و کاهش اثر تغییرپذیری بین‌فردی کمک کرد و تحلیل SHAP نیز تفسیرپذیری ویژگی‌محور مدل را فراهم ساخت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

An Interpretable Domain-Adversarial Framework for Emotion Recognition Using Sparse-Channel EEG

نویسندگان English

Raheleh Davoodi 1
Zahra Mahdinezhad 2
1 Assistant Professor of Biomedical Engineering, Faculty of Electrical Engineering, Shahid Beheshti University
2 Faculty Of Electrical Engineering Shahid Beheshti University,
چکیده English

Emotion recognition from electroencephalography (EEG) signals is challenged by substantial inter-subject variability and the need for a relatively large number of channels, limiting generalizability and the development of low-channel systems. In this study, we propose an interpretable domain-adversarial framework for emotion recognition using sparse EEG channels. Following preprocessing, 111 time-domain, frequency-domain, time-frequency, and nonlinear features were extracted from each channel and reduced using the ReliefF algorithm to 43 and 68 features for the ECSMP and GAMEEMO datasets, respectively. A domain-adversarial neural network (DANN) equipped with a gradient reversal layer was then employed to reduce inter-subject variability, and model performance was evaluated using five-fold subject-level cross-validation. The proposed method achieved an accuracy of 99.40% on GAMEEMO, approximately 4% higher than the best reported result in previous studies. On the more challenging ECSMP dataset, an accuracy of 96.43% was achieved using only seven frontal EEG channels without auxiliary signals, exceeding the reported accuracy of the compared multimodal approach. SHAP analysis indicated that several wavelet-based, temporal, and amplitude-related features, particularly from frontal channels, made substantial contributions to the model's decisions. Overall, combining ReliefF-based feature selection with domain-adversarial learning using DANN reduced the number of features while improving emotion-recognition performance and mitigating the effects of inter-subject variability. SHAP analysis further provided feature-level interpretability by revealing the features contributing to model decisions.

کلیدواژه‌ها English

Emotion Recognition
Electroencephalography
Domain Adversarial Neural Network
ReliefF
SHAP
GAMEEMO
ECSMP

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 03 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 21 تیر 1405
  • تاریخ بازنگری 22 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 01 مهر 1405