（电机与电器专业论文）体感诱发电位的产生和提取的研究.pdf

河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o d e me l e c t r o p h y s i o l o g y s d e v e l o p m e n tp r o m u l g a t e s ，w h e np e r s o n s s e n s e o r g a na c c e p t ss o m ek i n do fs t i m u l a t i o n ，t h ec e r e b r u mc a l lh a v et h ec o r r e s p o n d i n ge v o k e d p o t e n t i a lw h e nt h et h i n k i n ga c t i v i t yc a r r i e so n t h ee r p i sr e f e r st oa r t i f i c i a le x e r t st h e p o t e n t i a ls h i f tw h i c ht o t h es e n s eo r g a nt h el i g h t ，t h es o u n d ，t h ee l e c t r i c i t ys t i m u l a t i o n c a u s e t h es u g g e s t i o nb r a i ne l e c t r i c i t y sa n a l y s i si ss t u d i e st h eb r a i nf u n c t i o n ，t h eb r a i n c o g n i t i o na c t i v i t yi m p o r t a n t m e a n st h a ta n da l r e a d yi nt h ec l i n i c a ld i a g n o s i sa n dt h e g u a r d i a n s h i p ，t h ep a t h o l o g ya n dt h ep s y c h o l o g i c a lr e s e a r c hh a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o n t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h a tt h ee v o k e dp o t e n t i a lt h eo r i g i n ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d t h ed e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o n ，n e x ti n t r o d u c e dt h i ss y s t e mu s e st h ew a v e l e ta n a l y s i s m e t h o da sw e l la st h em a t l a bs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，i n t r o d u c e df i n a l l yt h ed s p h a r d w a r er e a l i z e s b a s e do nt h i s ，h a su s e dt h et r a d i t i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ， s i m u l t a n e o u s l yu n i f i e dr e c e n ty e a r st h er a p i d l ye x p a n dw a v e l e ta l g o r i t h mt oi n d u c et h e e l e c t r i c a ls i g n a lt oc a r r yo np r o c e s s i n g ，a n de s t a b l i s h e das e to ff u n c t i o nc o m p l e t ep o r t a b l e e v o k e dp o t e n t i a le x t r a c t i o no fs i g n a ls y s t e m e v o k e dp o t e n t i a l 。sg a t h e r i n ga n dt h e e x t r a c t i o ns y s t e m ，a t eu s i n gt h ec o m p u t e r ，t h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta n das e r i e so f s e n s o r st op h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n ds oo np a t i e n t sf e e l i n g ，s e n s eo fh e a r i n g ，v i s i o n c a r r yo nt h es y s t e mw h i c h t h em o n i t o rs e to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eu n i f y i tm a yc a r r yo n t h ep r e s e r v a t i o na n dt h ea n a l y s i st ot h ed a t a ，h e l p sd o c t o rt ou n d e r s t a n di n t u i t i v e l yt h e p a t i e n tp r e s e n tp h y s i o l o g yp a r a m e t e r ，g r a s p si np e r i o do ft i m e t h ep a t i e n tp h y s i o l o g y p a r a m e t e rv a r i a t i o nt e n d e n c y ，t h u st a k e st h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r et od i a g n o s ea n dt h e t r e a t m e n t t h ee v o k e dp o t e n t i a ls i g n a lt a k e so n ek i n do fc o m p l e xn o n s t e a d ys i g n a l ，i so n l y v e r yd i f f i c u l tu s i n gt h et r a d i t i o n a lt i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n c yr a n g ea n a l y s i sm e t h o d t ow i t h d r a wi nt h ee v o k e dp o t e n t i a ls i g n a lf u l l yt h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n t h i sa r t i c l e h a du n d e r s t o o de a c hc o n v e n t i o n a lr o u t e s t h e o r ya n dt h el i m i t a t i o n ，p a s st h r o u g hd i s c u s s t h o r o u g h l y ，a p p l i e si nt h ea c t u a le v o k e dp o t e n t i a ls i g n a lp r o c e s s i n gt h ew a v e l e ta l g o r i t h m m o r e o v e r ，c o n s i d e r e dt h ec o m i n o nb r a i ne l e c t r i c a ls y s t e mt o t a l i t ya c c u m u l a t e si s v e r yb i g , o n l ys u i t si nt h el a b o r a t o r yu s e s ，t h u sh a sl i m i t e dt h eb r a i ne l e c t r i c i t yt e s t e x p e r i m e n t su s es c o p e ，i nv i e wo f t h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n ，t h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n t sn e e d ， t h es y s t e mw h i c ht h i st o p i cs t u d i e si st a k ep o r t a b l ea st h eg o a l ，h o p e dt h a tt h r o u g hs t u d i e s a b s t r a c t t h e p o r t a b l e b r a i ne l e c t r i c a l s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，b r i n g s t h en e wr e s e a r c h d e v e l o p m e n tf o rt h eb r a i nc o g n i t i o np s y c h o l o g y sr e s e a r c h o u rc o u n t r yl a r g ep o p u l a t i o n ，t h eh e a r i n ga n dt h en e r v o u sb a r r i e rp a t i e n td i s t r i b u t e s w i d e l y ，t h ec o u n t yl e v e la b o v eh o s p i t a lm u s tp r o v i d et h ee v o k e dp o t e n t i a ls t i m u l a t o r ，b u t b e c a u s et h ei m p o r te q u i p m e n tp r i c ei se x p e n s i v e ，t h ev o l u m ei sb i g ，a tp r e s e n to n l yt h e n t h el i m i t e ds e v e r a lb i gh o s p i t a l so n l yt h e nh a v e t h i sa c h i e v e m e n ta b o v ec o u n t yl e v e l h o s p i t a lp r o m o t i o na p p l i c a t i o n b e c a u s et h ei n s t r u m e n ts o f t w a r ea n dh a r d w a r ei st h e i n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t ，t h ec o s ti sl o w ，w i l lc a u s ee a c hm e a s u r eu n i tt ob eu s e dt oh a v e t h eg r e a te c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h ew i d e s p r e a ds o c i a le f f i c i e n c y k e y w o r d sp o r t a b l e ；e e gs y s t e m ；w a v e l e ta n a l y s i s ；s e n s o r ；p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r n oc a l ms i g n a l 1 1 i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：本蕃殳 2 0 0 | 7 年6 月5 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 酥保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：杠芬殳 2 0 0 c 年6 月5 日 指剥币躲锄坳 伤。 叫| 耳 | 6 f j lj 7 日 易锣 了 杉 锯托 名 月 签 q 师 手 溯产 导 ” 指 五 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题学术背景及理论与实际意义 1 1 1 学术背景 近代电生理学的发展揭示出当人的感觉器官接受某种刺激，大脑在进行思维活 动时都会产生相应的诱发电位，这些诱发电位在临床上有重要的诊断意义。脑干诱 发电位可对昕神经瘤和纤维瘤做出早期诊断，甚至在c t 和核磁共振对此病证实前， 用脑干诱发电位就能做出诊断。体感诱发电位除了可以惊醒中央感觉传导速度的测 量外，还可以评价脊髓和脑干的传导时间，为此体感诱发电位已成为神经生理学方 面的重要工具u 喇。 本文所研制便携式体感诱发电位提取装置，使医生可通过刺激器对人体进行恒 流刺激，产生诱发电位并进行恒流刺激条件下的有效提取方法研究。 脑电信号分为自发脑( e l e c t r o n c e p h a l o g r a p h y , e e g ) 和诱发脑电( e v e n t r e l a t e d p o t e n t i a l s ，e r p ) 两种。自发脑电是指没有特定外界刺激时大脑神经细胞自动发出的电 位信息变化，其对外表现形式是在头皮表面记录到的电位信号；诱发脑电是指人为 的对感觉器官施加光、声、电刺激所引起的电位变化。e e g 与e r p 的分析是研究脑 功能、脑认知活动的重要手段i 引，并且已经在临床诊断与监护、病理和心理研究中获 得了广泛的应用。在脑电采集中，人们所得到的原始信号往往是目标信号、干扰和 各种伪迹的混杂，对脑电分析没有实际意义。为此需要对原始信号进行处理，从观 测信号中提取出脑电研究者所需要的各种有用信息。同时e r p 被誉为“观察脑的高 级功能的窗口”，【引它对于揭示心理活动信息提供了有力的依据。但由于e r p 4 】的波 幅很小，会被淹没在波幅较大的e e g 中，构成了小信号与大噪音的关系，另外在脑 电采集时的眼电、肌电、心电和运动电位等等也会构成e r p 信号中的伪迹，因此要 对e r p 进行心理学方面研究的前题，是要将e r p 从噪声和伪迹中提取出来，这方面 的技术是现今研究脑电信号处理的热门问题，本文也进行这方面的讨论。 本课题是为“体感诱发电位的产生与提取的研究先从刺激器的设计着手，并 进行小波信号处理算法研究。便携式体感诱发电位的研究是本着微型化、综合化、 一体化、高可靠性的原则。 1 1 2 研究意义 “脑一认知一行为”的关系是人类在认识自身的过程中必须解决的核心问题。 认识脑功能从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和最活跃的科学前沿，是摆 在各国科学家面前的首要科学使命，已成为全球性的研究热点。 河北科技大学硕士学位论文 对大脑高级心理活动如认知过程作出客观评价，我们很难将意识或思维单 纯归于大脑某一部位组织、细胞或神经系统，因为仅采用具体、微观的自然科 学手段如神经分子生物学、神经生化学难以解决具体的心理活动。二十世纪六 十年代，s u t t o n 提出了事件相关电位的概念，通过平均叠加技术从头颅表面记 录大脑诱发电位来反映认知过程中大脑的神经电生理改变，因为事件相关电位 与认知过程有密切关系，故被认为是“窥视”心理活动的“窗口”。神经电生 理技术的发展，为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。 实践证明，诱发电位在神经系统异常的诊断、人体听觉和视觉功能评价、 神经系统手术过程中的监护以及其他一些领域中都有广泛的应用，因此这种信 号自被发现以来，就引起了医学界和生物医学工程界的极大兴趣。 诱发电位是在给人体的感觉器官施以某种刺激后，记录到的外周神经系统 与中枢神经系统在传递信息的过程中产生的微弱电压变化。诱发电位又称为与 事件相关的电位，幅度很小，被淹没在很强的背景噪声中，因此从强背景噪声 中有效地提取出诱发电位是比较困难的事，也是对神经医学很有意义的事。 我国人口众多，听力及神经性障碍患者分布广泛，县级以上医院都需配备诱发 电位刺激器，但由于进口设备价格昂贵，体积大，目前只有有限的几所大医院才拥 有。本成果将在县级以上医院推广应用。由于仪器软硬件均为自主研制开发，成本 较低，将使各使用单位产生较大的经济效益和广泛的社会效益。 1 2 相关领域的研究进展及成果 1 2 1 体感诱发电位研究现状 体感诱发电位也称躯体感觉诱发电位( s o m a t o s e n s o r ye v o k e dp e t e n t i a l ，s e p ) 是指 给予感觉神经干或末梢刺激，在感觉神经通路相应部位所记录到的诱发反应。s e p 根据刺激和记录电极的位置一般可分为上肢s e p ，下肢s e p ，三叉神经s e p 和脊髓 诱发电位等【5j 。在生物医学信号处理中比较典型的应用就是关于诱发脑电信号的提 取。大脑诱发电位指在外界刺激下，从头皮上记录到的特异电位，它反映了外周感 觉神经、感觉通路及中枢神经系统中相关结构在特定刺激情况下的状态反应。在神 经学研究以及临床诊断、手术监护中有重要意义。诱发电位e p 十分微弱，一般都淹 没在自发脑电e e g 之中，从e e g 背景中提取诱发电位一直是个难题：e p 的幅度比 自发脑电低一个数量级，无法从一次观察中直接得到；e p 的频谱与自发脑电频谱完 全重叠，使得频率滤波失效；在统计上e p 是非平稳的、时变的脑诱发电位。通过多 次刺激得到的脑电信号进行叠加来提取e p ，是现今最为广泛使用的e p 提取方法晦 。 为了解决诱发电位提取问题，研究者利用维纳滤波来提高信噪比，先后有w a l t e r 、 d o y l e 、w e e r d 等对维纳滤波方法进行了改进。在频域应用后验维纳滤波的核心就是 2 第1 章绪论 由各次观察信号中分解出信号的谱估计和噪声的谱估计，通过设计的滤波器来提高 信噪比。 自适应干扰对消技术的原理是有两个输入端：信号输入端的输入信号是含有目 标信号和干扰信号的综合信号。参考输入端的输入信号是与干扰信号高度相关的参 考信号。诱发电位提取的特定设计组态情况，使原位取得相关性很好的参考信号成 为可能。即在每次刺激前取得足够长的信号序列，然后进行刺激，并取得刺激后按 先验知识确定的混合信号序列长度。刺激前与刺激后的信号序列是连续采样的，应 当在序列中给出刺激标记。总可在刺激前的序列中找到一段与刺激后的序列有最大 相关性的序列，将背景信号对消掉。 独立成分分析( i c a ) i b j 正是伴随着盲信源问题发展起来的一项统计信号处理技 术。i c a 的目的是把混合信号分解为相互独立的成分，它强调分解出来的各分量之 间的相互独立性。而i c a 处理的对象是相互独立的信号源经线性混合而产生的一组 混合信号，这种模型正好可以模拟复杂的生理源信号，i c a 方法将会成为生物医学 中一种重要的信号处理工具i 引。 小波分析作为优良的时频信号分析工具，是近2 0 年发展起来的。现阶段，应用 小波提取诱发电位仍主要集中在普通的多分辨分析，小波滤波去噪等，小波的许多 时频特性还有待于应用开发。 诱发电位的采集与提取系统，是利用计算机、单片机和一系列的传感器对病人 的感觉、听觉和视觉等生理参数进行监测的一套软硬件相结合的系统。可以对数据 进行保存和分析，帮助医生直观地了解病人目前的生理参数，掌握一段时间里病人 生理参数变化的趋势，从而采取相应的措施来诊断和治疗。 在诱发电位信号处理当中，除了伪迹去除的研究外，另一个信号处理困难点就 是e r p 的提取，这是因为从大脑皮层获得的e r p 往往淹没在很强的背景噪声中。这 些背景噪声包括e e g 、肌电及各种环境噪声。因此，如何从强背景噪声中提取e r p 信号是必须解决的问题，为此人们在信号处理领域做了大量的工作，提出了许多估 计算法，主要有以下几种： 早期提取e r p 信号的方法是叠加平均法，这种方法也是目前临床上使用最为广 泛的方法。叠加平均法是从强背景噪声中提取微弱周期信号的有效方法。叠加平均 法的主要优点是：方法简单，易于实现。但后来的研究者们证实发现实际上e r p 信 号是时变的、非平稳的，叠加平均的结果往往使e r p 信号的高频信息，即信号波形 的细节信息被滤除掉了，而这些细节信息则很可能是有意义的。另外，叠加平均法 需要对被试者进行重复刺激，这容易使被试者疲劳，从而给检测结果带来进一步的 误差。 人- r - * * 经网络是由大量处理单元广泛互连而成的网络。它反映了人脑功能的基 3 河北科技大学硕士学位论文 本特性，是人脑的某种抽象模拟。神经网络在微弱生理电信号的检测处理中的应用 主要集中在对脑干诱芨电位的提取。目前常用分析方法识别e e g 中较旗型的e r p 信 号也有用遗传算法自动建立脑干诱发电位的模型，进行最优化模拟。 鉴于叠加平均法的重复试验会增加被试者的负担，因此有必要研究e r p 少次提 玻的方法。 小波变换的出现给我们提供了种更强有力的信号分析方法，其可变的时频分 辨率可以满足我们对在诱发电位提取中“既要看到森林，又要看到树木”的要求。 它的基本思想是用一族函数去表示或逼近某信号或函数，这族函数称为小波函 数系。它是通过一基本小波的平移和伸缩构成的，用其变换系数即可描述原来的信 号。小波函数系表示的突出特点是它的时宽频宽乘积很小，且在时闻和频率上都很 集中。和短时傅立叶变换相比，小波变换具有多分辨特性，基于m a l l a t 陕速算法， 二进小波变换在很多领域获得了广泛应用i “l 。 1 2 2 体感诱发电位待深入研究的问题 目前，为了给医生提供诊断心理和生理疾病的有效依据，有必要用一种高效的 的方法采集脑屯信号，所以脑屯信号采集分析仪器因此产生。近年来随着计算机 和信息技术的发展，在脑电信号采集分析仪的研究方面得到迅速的发展，图1 - 1 是月 麦k e y p o i n t4 c h 公司的诱发电位仪。 图1 - i 诱发电位仪 f i g i - 1e v o k e dp o t e n t i a l l 一l 作为医生渗断心理和生理疾病的有效依据，诱发电位信号分析仪器的作用很大。 但市面上的仪器产品有它们本身的缺点，以丹麦k e y p o i n t4 c h 公司的产品为例，它 的缺点有：非模块化，容易损坏，维修不便：价格昂贵，性能有时不能满足临床应 用的需要：体积大、沉重，难以携带，不能适应跨学科研究的需要。 另外其信号处理方面大多采用叠加平均技术，这种技术来源于两个理论假设 4 第1 章绪论 一是把背景脑电等信号完全当成随机干扰，可以通过多次叠加而消除，二是诱发成 分在每次刺激时都保持幅度和相位不变。其实这两个理论假设都有缺陷。背景脑电 和心电等干扰信号一般具有稳定的性质，属于亚确定信号，虽具有一定的随机性， 但并非完全随机，尤其是测量信号包含有动眼成分经叠加后反而提取不出诱发信号。 诱发成分在每次刺激时也很难保持幅度和相位不变，特别是刺激次数较多时，实验 者也会因为对刺激的疲劳性而发生变化。因此叠加技术会掩盖诱发波形成分的变异 性，不能提供准确、短时、细节丰富的信息；有时甚至得不到诱发电位。 诱发电位的单次提取是当今研究的热点，现代信号处理技术的发展为我们提供 了理论基础。国际国内许多学者提出了自适应滤波，小波分析，神经网络以及最新 的独立成分分析等多种方法，取得了不少的进步，小波变换因其良好的时频分析特 性，在生物医学信号处理中尤其受到关注。 本课题就是为克服以上国外仪器的缺点，考虑到一般的脑电信号采集系统体积 都很大，只适合在实验室使用，从而局限了脑电测试实验的使用范围，阻碍了脑电 研究的发展。针对不同场合、不同环境的需要，本课题所研究的系统是以便携式为 目标，希望通过研究便携式脑电信号处理系统，带动脑电测试的发展，为脑认知心 理学带来新的研究进展。 1 3 本课题的来源和主要研究内容 1 3 1 本课题的来源 本课题来自胡士强老师和白求恩医院的贺银方主任的一个合作项目，课题内容 是设计一个便携式的体感诱发电位刺激与提取系统，能很方便的提取诱发刺激信号， 便于进一步的医学研究。 1 3 2 主要内容 综合以上所述，体感诱发电位的产生和提取系统是为“便携式脑电e r p 数据采 集与处理系统”提供良好的软件平台，主要的工程关键技术是可以实现便携式系统， 使脑电检测研究实验可以方便的在实验室以外的地方进行，并把传统的脑电信号处 理方法应用在软件当中，可做出实时、高效、准确的脑电信号分析，有利于病理学 方面的研究。而论文的理论核心问题是提出利用小波分析算法对脑电信号进行处理， 同时用m a t l a b 实现，这是本题的主要研究目的。本文的主要内容包括四章： 第1 章绪论。介绍论文的研究背景，对脑电采集系统与体感诱发信号处理做了 总体介绍，然后列出了体感诱发电位的产生和提取系统的特点与功能归纳了论文的 主要工作内容。 第2 章脑电的基本理论。先讲述脑电研究的发展史，探讨脑电研究的变迁；然 后列出各种脑电的不同之处，分析自发脑电( e e g ) 【1 2 】与诱发脑电( e l 世) 的形成原理； 5 河北科技大学硕士学位论文 介绍脑电采集的方法与各种伪迹对脑电信号的影响；同时提出了两种传统的脑电信 号处理方法，评价两种方法的利弊。 第3 章基于小波分析的诱发电位信号处理。先对小波进行分析研究，讲解它的 原理与发展史，介绍小波在脑电信号处理中的应用，包括仿真实验和诱发电位提取， 最后对各种实验用于体感诱发电位的产生和提取系统中进行研究，并作出最后结论。 第4 章是体感诱发电位d s p 处理系统的开发。主要体感诱发电位d s p 处理系统 的软件结构，讲解课题的工作、系统的关键技术路线与系统可实现的功能。 6 第2 章脑电的基本理论 第2 章脑电的基本理论 2 1 脑电信号基本知识 脑电是大脑神经元突触后电位的综合，是大脑电活动产生的电场经容积导体( 由 皮层、颅骨、脑膜及头皮构成) 传导后在头皮上的电位分布，分为自发脑电 ( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 和诱发脑电( e v o k e dp o t e n t i a l ，e p ) ( 又称事件相关电位 e v e n tr e l a t e dp o t e n t i a l ，e r p ) 两种。自发脑电是指没有特定外界刺激时大脑神经细胞 自发产生的电位变化，诱发脑电是指人为地对感觉器官施加光、声、电刺激所引起 的脑电变化。通常e r p 与e e g 是同时记录到的。脑电图( e e g ) 是通过电极记录下来 的脑细胞群的自发性、节律性电位活动。根据电极放置方式的不同，脑电图分为头 皮脑电、皮层脑电及深部脑电图。其中头皮脑电是大脑神经电位活动产生的电场经 容积导体( 由皮层、颅骨、脑膜及头皮构成) 传导后在头皮上的电位分布。皮层脑 电图是指在开颅手术时将电极放置在大脑皮层描记下来的脑电图。深部脑电图是指 皮层下各种结构的电位活动的记录。 2 1 1 脑电信号的分类 脑电图反映了大脑组织的电位活动及大脑的功能状态，其基本特征包括周期、 振幅、相位等。关于脑电图的分类，国际上有几种不同的方法，一般说来，常用的 分类变量有：频率、电压、形态、同步性、周期性等。若按频带定义，一般可将脑 电分为下面几种波： ( i ) 万波频带范围0 5 4 h z ，振幅为2 0 2 0 0 形常在额部出现，其指数不超过 5 8 ，见于儿童和成年人的睡眠时，在正常清醒的成人脑波中很少见，过度换气、 睁眼及呼叫姓名都对8 波无影响。无论任何年龄，任何意志水平持续存在的局灶性 6 波均为异常，指示着皮质病变； ( 2 ) 0 波频带范围4 8 h z ，振幅2 0 1 0 0 1 ”在颞叶、顶叶较明显，一般困倦 时出现，是中枢神经系统抑制状态的表现。经常存在的局灶性矽节律为异常，其出 现常为深部皮层下或中线结构的病变； ( 3 ) q 波频带范围8 - 1 3 h z ，8 5 的成人在9 5 1 0 5 h z 之间，振幅1 0 1 0 0pk 是成人脑电中的基本节律。口节律呈正弦形，其波幅可以出现周期性逐渐升高和降 低现象。口波的活动在大脑各区都有，不过以顶枕部最为显著，并且左右对称，安 静及闭眼时出现最多，波幅亦最高，睁眼、光刺激或精神活动时，口波会受到抑制 并很快的被夕波所取代，这是正常脑电图的重要标志之一。对同一个人而言，在不 同时间或不同脑区记录的口节律的周期、振幅、位相等平均值差异一般不超过1 0 ， 7 河北科技大学硕士学位论文 其脑电图出现方式较恒定，对生理条件改变或各种外界刺激可保持一定的阈值； ( 4 ) 波频带范围1 4 3 0 h z ，电压幅度低于5 2 0 主要在额叶出现。如果 被测者挣眼视物或听到突然的音响或进行思考是，大脑皮层的其他部位也出现波。 所以f 3 波的出现一般代表大脑皮层兴奋。 ( 5 ) y 波额区及中央最多，它与夕波同属快波，快波增多，波幅增高是神经细 胞兴奋型增高的表现。 喵幡卅随槲似 _ h r r 卜厂y 1 一、厂 v y v l m n - 彭、鲈、如 图2 - 1 典型的脑电节律 f i g 2 1t y p i c a le e gr h y t h m 图2 - 1 从左到右，从上到下依次为夕波、棘波、口波、正相棘波、曰波、尖波、 占波、棘慢复合波、k 波、多棘慢复合波、h 波、尖慢复合波、y 波、高度失律波。 在病理状态下如癫痛、脑肿瘤或脑外伤等情况下，大脑活动受到抑制，脑电图 出现异常波活动。癫痫病人的脑电图常见特征波形如下： ( 1 ) 棘波出现方式一般为孤立性或散在性，癫痫病大发作时可以是连续性。棘 波的周期小于8 3 m s ，其波顶尖锐。两个以上的棘波相连接时称为多发棘波。棘波的 极性向上者称为阴性棘波，向下者称为阳性棘波。棘波是癫痫的特异波形。常见于 局限性癫痫、癫痫大发作等。 ( 2 ) 棘慢复合波棘波和矽波或艿波连接起来的称为棘慢复合波或简称为棘慢 波。其频率有3 h z 、2 h z 或不规则的。包含两个以上的棘波的棘慢波成为多棘慢波。 这种波形是癫痫小发作时特有的。 ( 3 ) 尖波又称为锐波，其波形近似于棘波，但周期较长，通常为8 3 m s 以上，形 态为快直上升而缓慢下降的三角波形，波幅可达2 0 0 zv 以上，也是一种病理波，多 8 飞八、 第2 章脑电的基本理论 见于癫痫。 ( 4 ) 尖慢复合波是由一个尖波和一个慢波组成的复合波，亦称为不全棘慢波或 慢棘慢波，会现于局限性癫痫。 2 1 2 脑电信号的特点 医学信号处理的基本目的，就是从存在严重背景干扰的医学信号中，提取对疾 病诊断有用的生理、病理信息。下面就脑电信号的特点，介绍从e e g 信号中提取大 脑活动信息的技术和方法。 脑电信号非常微弱，背景噪声很强。一般e e g 信号只有5 0 掣v 左右，最大为1 0 0 阢噪声背景强是指非研究对象的信号在观察中有强烈的表现，例如神经紧张、面 部肌肉动作等带来的伪迹、强烈的工频干扰等。因此脑电信号的特性分析和特征提 取对监测系统、分析系统有很高的要求，包括要有高输入阻抗、高共模抑制比、低 噪声放大技术，能从强噪声中提取弱信号的高质量滤波措施等。 脑电信号是一种随机性很强的非平稳信号。随机性强是由于影响它的因素太多， 其规律又未被认识。它的规律只能从大量统计结果中呈现出来，从而必须借助统计 处理技术来检测、辨识和估计它的特征。非平稳性是由于构成脑电信号的生理因素 始终在变化，而且对外界的影响有自适应能力。因此e e g 又是统计特性随时间变化 的非平稳信号。 生物组织调节及适应机能必然会影响到电生理信号具有非线性特点。而目前的 信号处理技术基本上是建立在线性系统理论分析基础上的。因此如何减少非线性误 差也是应该注意的问题，同时可考虑用非线性的方法处理脑电问题。 脑电信号的频域特征比较突出。因此与其它生理信号相比，功率谱分析及各种 频域处理技术在e e g 信号处理中占有更重要的位置。 2 1 3 脑电信号的发现 1 9 世纪中叶，脑电信号的发现是神经生理学的一个重大突破。在1 8 7 5 年，英国 利物浦大学年轻生理学教授c a t o n 观察到在暴露的兔脑和猴脑上能产生微弱的电位 变化，并发现所引出的电位活动波频率的快慢是取决于动物的心理状态，因此c a t o n 是第一个发现脑电的人。但遗憾的是科学家们并没有把精力置于对人脑自发电位活 动再深入研究【1 3 j 。 直至1 9 2 4 年，德国的b e r g e r 博士以他的儿子为被试者，才第一次首创通过在完 整的头皮上安放电极描记到人脑不同类型的电位活动，并在1 9 2 9 年发表“关于人脑 电图 l ”】的论文，此后到1 9 3 9 年之间，以同一标题连续发表了1 4 篇论文，广泛观 察和描记了正常人的脑电图以及癫痫、脑瘤和其他精神疾忠的脑电图。当他最初发 表论文的时候，他的成果并未被多数生理学家或神经病学家所承认。其原因之一是 9 河北科技大学硕士学位论文 因为当时的生理学家着重于研究末梢神经纤维的电位活动，而研究中枢神经系统电 位活动的学者较少。b e r g e r 的这种研究结果与当时生理学家的认识，即认为在神经 肌肉生理学中电位活动与机能在数量上应成平行关系是完全相对立的，因此他所发 现的脑电图当时被认为是一种伪迹。 但是在1 9 3 4 年英国剑桥大学的a d r i a n 博士等人证实了人脑的电位活动并应用于 临床以后，才正式提出了“脑电图”( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 这一名词。早期的工 作发现脑电图记录有助于诊断癫痫和脑肿瘤，从此脑电图的研究有了急速的发展， 并被推广到全世界范围。 从此科学对e e g 寄予厚望，力图从中提取心理活动信息，以揭示脑的心理功能 奥秘，但由于当时微弱信号检测技术不够成熟，所以在较长时间内没有得到实质性 的进展。直到1 9 4 9 年，伦敦大学的生理学家d a w s o n 采用电子计算机叠加平均技术， 证明清醒人的头皮表面可得到人脑诱发电位( e v o k e dp o t e n t i a l s ，e p 或称e r p ) ，这样 才使脑电信号与心理因素关系的研究重新焕发了生机，也在临床脑电图学历史上方 法论的一个划时代的发展。4 0 年来，采用e r p 方法进行脑的高级功能研究出现了一 系列突破，e r p 遂被誉为“观察脑的高级功能的窗口”。1 1 4 】： 脑电图在脑部疾病和中枢神经几类疾病的i 临床诊断中起着十分重要的辅助作 用。根据经验脑电图在检测脑肿瘤、脑脓肿、中枢神经系统感染性疾病时的阳性率 可高达8 0 一9 0 ，如果使用适当的方法诱发阳性率会更高。常用脑电图智能诊断方 法很多：模拟法、专家系统法、神经网络法、小波分析法等。 2 2 诱发电位 诱发电位在神经系统异常的诊断、人体听觉和视觉功能的评价、神经系统手术 过程中的监护以及其他一些领域中都有广泛的应用。 2 2 1 诱发电位的定义 诱发脑电位( e r p ) 是中枢神经系统在感受外界或内在刺激过程中产生的生物电 活动。人的感觉器官，如眼、耳、皮肤在接受光、声或微弱电流等特定的诱发刺激 后，循其特有的神经通路将所感受的信息向中枢传递。其信息内容在通路的各个水 平不断组合，最后到达皮层引起一连串活动。这种活动与皮层的功能状态和复杂的 心理、生理因素相关，并以生物电变化形式从头皮电极中记录到，以上就是e r p 产 生的简单机制。 e r p 被认为是继脑电图和肌电图后，临床神经电生理的第三大进展，具有“窥 测精神之窗之称。临床上，在病史和身体特征不能确定诊断的情况下，它能检出 感觉系统的功能异常，此外，它对疾病预防和治疗上也有一定的意义。诱发脑电位、 脑电图和脑电地形图在临床上综合应用，将会进一步为心学研究提供有效信息，也 1 0 第2 章脑电的基本理论 可了解到感觉器官到高级大脑皮层整个神经系统的功能状态，提高临床诊断水平。 2 2 2 诱发电位的特性 e r p 与e e g 一样，都能记录脑电活动，都能反映大脑组织的电位活动及大脑功 能状态。只是e e g 显示的是大脑皮层在无外界刺激时产生的电位活动，它的特点具 有一定的节律性和连续性。而e r p 是中枢神经系统在接受特定刺激条件下产生的生 物电活动。诱发脑电位的信号强度通常非常小，通常只有0 3 2 0 | jv ，而脑电图信号 强度却高达3 0 1 0 0uv ，因此，单次刺激引起的诱发电位信号通常会被淹没在背景 脑电中。与脑电图相比，诱发脑电位具有以下基本特性： ( 1 ) 刺激条件对感觉器官或脑的某一部位给予或撤去刺激时所引起的脑电位变 化，均可称为e r p ，其首要特点是要有有明确的内、外环境刺激信号。 ( 2 ) 时相关系e r p 的出现与刺激之间有确定的和严格的时相关系，即有较稳定 的潜伏期，其长短取决于：刺激引起的脑电位变化发放所需要的时间；脑电位沿神 经传导的速度；刺激点与记录点之间的距离；传导途径中突触的数量；每个突触延 搁的时间等因素。 ( 3 ) 解剖通路各种感觉刺激引起的e r p ，在脑内各自可有一定的空间分布，这 是由其解剖通路决定的。 ( 4 ) 反应形式某种刺激引起的e r p 有一定的反应形式，不同感觉器官中反应的 形式也不相同。 综上所述，e e g 和e r p 的特点可以总结如表2 1 所示。 正因为e r p 是在刺激控制下出现的，同时具有刺激条件、时相关系、解剖通路 和反应形式等特征，提供关于不同感觉器官及相应脑区更多的信息，它比e e g 曲线 有较多的数量分析的可能，能够提供丰富的病人的信息，便于医生详细了解病人的 病情，有利于进一步的诊断和治疗。 2 2 3 诱发电位的分类 根据诱发脑电的性质、特点、属性等方面，可以对e r p 进行不同的分类。般 来说，e r p 会按刺激形式的不同来分为以下几类【1 5 】 听觉诱发电位( a u d i t o r ye v o k e dp o t e n t i a l s ，a e p ) 以各种音频作为刺激信号，多为 短声刺激所引起的诱发电位： 视觉诱发电位( v i s u a le v o k e dp o t e n t i a l s ，v e p ) 以v , - i 光，各种图像和文字为刺激信 号，甚至人物面部表情等视觉刺激所引起的诱发电位； 体感诱发电位( s o m a t o s e n s o r ye v o k e dp o t e n t i a l s ，s e p ) 以微弱电流为刺激、用机械 刺激或其他刺激方式激发被试者肢体所引起的诱发电位； 嗅觉诱发电位( o l f a c t o r ye v o k e dp o t e n t i a l s ，o e p ) 以具有特殊气味的物质为刺激 1 1 河北科技大学硕士学位论文 源，激发嗅觉器官所引起的诱发电位； 味觉诱发电位( g u s t a t o r ye v o k e dp o t e n t i a l s ，g e p ) 束i j 激味觉器官所引起的诱发电 位。 表2 - 1 自发脑电与诱发脑电的比较 t a b 2 - 1c o m p a r eo fe e ga n de r p 、 比较内容自发脑电( e e g )诱发脑电( e r p ) 脑电性质自发性脑电诱发性脑电 脑电强度较强( 3 0 1 0 0 u v ) 较弱( 0 3 2 0 u v ) 波形特性连续性 限程性 波形含义生理性生理性、心理性 记录手段直接放大 同步叠加 无时相关系有时相关系 记录条件 无需信号刺激需信号刺激 又可以根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚( 长) 潜伏期诱发电位和慢波。 临床上实用起见，将诱发电位分为两大类：与感觉或运动功能有关的外源性 刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件相关电位。 由于e r p 是被试人受外界刺激所引起的电位信号，所以e r p 的提取一定要有一 个特定的刺激源，让刺激源不断发出实验所需的刺激信号，这样e r p 实验方可正常 进行。而本课题的软件系统体感刺激发生机制，可以满足实验需要，具体的刺激发 生方法在后面章节中会有详细介绍。图2 2 所示的是e e g 与各种e r p 的类别关系图， 它表示了e r p 信号会淹没在e e g 中。 2 3 脑电信号的采集 脑电信号通常是利用脑电采集系统获得的。脑电采集系统是专门用于测量和记 录脑电图的装置，大脑发出的电位信号