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NAKUL-Med:用于医学信号的谱图状态空间模型带动力学核

信号处理 2026-05-05 v1 人工智能 计算机视觉与模式识别 机器学习

摘要

状态空间模型(State Space Models, SSMs)实现线性时间复杂度,但在处理多通道生理信号时面临三个局限:固定核无法捕捉多尺度时间动力学(运动准备数百毫秒 vs. 执行瞬态数十毫秒),马尔可夫状态更新限制了周期性振荡的全局上下文,以及通道独立处理忽略了电极空间拓扑。我们提出 NAKUL,将 SSMs 扩展用于医学信号分析,主要贡献包括:(1)动态核生成——具有不同核大小(3、5、7、11 个时间步)的平行 SSM 分支由分析输入统计量的元网络加权,从而实现自适应的时间尺度选择;(2)谱图上下文建模——基于 FFT 的操作配合可学习的高斯频率带滤波器捕捉全局周期模式,时间复杂度为 O(NlogN)O(N \log N);(3)图引导空间注意力——固定电极拓扑为多头注意力提供空间偏置,以原则性地实现跨通道交互。在 BCI Competition IV-2a 运动想象(我们的主要基准)上,NAKUL 实现了 91.7±0.6% 的准确率,匹配 EEG-Conformer(92.1±0.7%),同时使用 28% 更少的参数(2.5M vs 3.5M),推理速度快 2.0 倍(4.3ms vs 8.7ms)。该模型推广到 EEG 情感识别(83.6%)、多模态 EEG-fMRI(91.4%)和医学影像(超声 92.8%),显示出架构的多样性。消融实验表明,动态核贡献 +2.6%,且 exhibits 可解释的尺度选择模式与已知神经动力学相关。

关键词

引用

@article{arxiv.2605.00871,
  title  = {NAKUL-Med: Spectral-Graph State Space Models with Dynamics Kernels for Medical Signals},
  author = {Badri N. Patro and Vijay S. Agneeswaran},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2605.00871},
  year   = {2026}
}

备注

Accepted CVPR Finding Track