（计算机应用技术专业论文）基于小波变换的脑电图α波持续性的研究.pdf

摘j 婴 摘要 随着科学技术的发展和人类社会的进步，人类从对自然的研究发展到对社会的研究， 又发展到对人脑思维的研究，而脑电的信息处理研究正是这方面的典型领域。小波分析 作为一种新的多分辨率分析方法，以其优良的特性和成熟的分析方法在国外的医学、心 理学和认知神经科学研究中已被广泛使用。 意义：a 波是确定脑电信号快慢的基准波，具有很多重要的生理意义，与年龄的关 系很早前就被发现了。许多研究结果证明口波还与记忆力，认知能力，信息处理等多种 脑机能有关，并可以作为情绪表现的指标。小波分析的一个重要特点就是具有良好的时 频局部化性质，对于处理这种时变信号具有独特的优越性。因此运用小波分析来观察 e e g 信号中的口波在不同刺激事件下的持续性变化是非常有意义的。 方法：本研究主要是利用m o r l e t 小波变换来获取e e g 信号中口波随时间变化的能 量分布，并在此基础上获取口波的持续时间。本研究设计了两个实验：心算、音乐，目 的是观察口波在大脑进行信息计算和音乐信息处理时的变化趋势。最后根据两个实验所 采集的脑电数据进行分析和计算，进而对a 波的持续性和脑机能的关系做更深层的分 析。 结论：通过对实验数据的计算和分析，可以得出以下结论：在心算时男性左半球口 波受到抑制，听音乐时则右半球的口波受到抑制，而女性则没有这种明显左右差异。说 明男性半球优势较女性更为显著。无论男性和女性在听音乐时，顶枕部的口波都更加活 跃，说明音乐非常有助于提升口波，安静放松时听音乐对人类大脑是十分有益处的。另 外在听不喜欢音乐和喜欢音乐的时候口波的持续时间是不一样的，由此可以看出个人喜 好对于a 波持续性的影响也不容忽视，个人喜好的音乐更加有益于提升口波。 关键词：小波分析；脑电图；a 波；心算；音乐 大连交通人学丁学硕十学f 7 ：论艾 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g i c a la n dp r o g r e s so fh u m a ns o c i e t y , t h e s t u d yo fm a n k i n di sf r o mt h en a t u r ed e v e l o p m e n tt ot h es o c i e t y , b u ta l s od e v e l o p e di n t ot h e s t u d yo fh u m a nb r a i nt h i n k i n g ，a n dt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fe e g i st h et y p i c a la r e a s w a v e l e ta n a ly s i si san e wm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sm e t h o d s ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di n r e s e a r c ho fm e d i c i n e ，p s y c h o l o g ya n dc o g n i t i v en e u r o s c i e n c ew i t hi t se x c e l l e n tf e a t u r e sa n d s o p h i s t i c a t e da n a l y t i c a lm e t h o d s i g n i f i c a n c e ：a l p h aw a v ei st h eb a s ew a v ew h i c hd e t e r m i n e dt h es p e e do fe e g , i th a s m a n yi m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a ls i g n i f i c a n c e t h er e l a t i o n s h i pw i t ha g ew a sd i s c o v e r e dm u c h e a r l i e r , m a n ys t u d i e sh a v ep r o v e dt h a t aw a v eh a sr e l a t e dt om e m o r y , c o g n i t i v ea b i l i t y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga n do t h e rf u n c t i o n so fb r a i n ，a n dc a l lb eu s e da si n d i c a t o r s o f e m o t i o n a lp e r f o r m a n c e a ni m p o r t a n tf e a t u r eo fw a v e l e ta n a l y s i si st oh a v eag o o d t i m e f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o np r o p e r t i e s ，d e a l i n gw i t hs u c ht i m e v a r y i n gs i g n a lh a sau n i q u e a d v a n t a g e t h e r e f o r e ，i th a so b s e r v e dt h a ta l p h a w a v e sc o n t i n u i t yo fc h a n g eu n d e rd i f f e r e n t s t i m u l u se v e n t si sv e r ym e a n i n g f u l m e t h o d s ：t h i sa r t i c l ee x p l a i n sh o wt ou s et h em o r l e tw a v e l e tt r a n s f o r mt oo b t a i ne e g s a l p h aw a v ee n e r g yd i s t r i b u t i o no v e rt i m e ，a n da c c o r d i n g t ot h ee e gd a t ao fm e n t a la r i t h m e t i c a n d h e a r i n gm u s i ce x p e r i m e n tt oo b t a i nt h ec h a n g e so ft h em p h aw a v ed u r a t i o n t h i ss t u d y w a sd e s i g n e dt w oe x p e r i m e n t s ：m e n t a la r i t h m e t i c ，m u s i c ，t h ep u r p o s ei st oo b s e r v et h et r e n d o ft h eb r a i n sa l p h aw a v ei ni n f o r m a t i o nc o m p u t i n ga n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n go fm u s i c ， t h e nd oam o r ed e e pa n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l p h aw a v e sc o n t i n u o u sa n dt h e b r a i n sf u n c t i o n c o n c l u s i o n ：t h r o u g hc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a ，w ec a l ld r a wt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：d u r i n gt h ee x p e r i m e n to fm e n t a la r i t h m e t i c ，m a l e sa l p h aw a v e o fl e f t h e m i s p h e r ei ss u p p r e s s e d ；w h e nl i s t e n i n gt om u s i ct h ea l p h aw a v eo ft h er i g h th e m i s p h e r ei s s u p p r e s s e d ，w h i l ew o m e na r en oo b v i o u sb i a s ，i n d i c a t e dt h a tm e n sh e m i s p h e r i cd o m i n a n c e m o r ep r o n o u n c e dt h a nw o m e n i nl i s t e n i n gt om u s i c , b o t l lm a l ea n df e m a l e sa l p h aw a v e sa r e m o r ea c t i v e ，i n d i c a t e dt h a tl i s t e nt om u s i ci sv e r yh e l p f u lt oa l p h aw a v ea n dl i s t e n i n gt om u s i c i sv e r yb e n e f i c i a lf o rt h eb r a i n i na d d i t i o nl i s t e n i n gt ou n l i k ea n dl i k em u s i co ft h ea l p h a w a v e sd u r a t i o ni sd i f f e r e n t l y , s ow ec a ns e et h a tp e r s o n a lp r e f e r e n c eh a sl a r g ei m p a c tf o r s u s t a i n a b i l i t yo fa l p h aw a v ea n dl i s t e n i n gt ol i k e dm u s i ci sm o r eb e n e f i c i a lt oa l p h aw a v e k e y w o r d s ：w a v e l e ta n a l y s i s ；e e g ；a l p h aw a v e ：m e n t a la r i t h m e t i c ：m u s i c 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 五谴 年i 乙月t 千日 f 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 乏葛 日期：伊( 年tl 月彳日 学位论文作者毕业后去向： 2 r _ 作单位： 通讯地址： 电子信箱： f q 叫 识俨 豫慌 电甜w 钮 彤 电邮 绪论 绪论 说起脑电图的研究，许多人立刻会想到是医学方面的研究。不错，但只说是医学方 面的研究有点片面。脑电是从人脑神经细胞活动时产生的，是在脑头皮外部收录到的一 种微弱电压信息。学过高等数学的人应该非常习惯y = f ( t ) 这样的公式的，这个公式经常 用来表达一种随时间变化的序列，脑电图数据就是这样的时间关系之一。在脑电图中， v 相当于脑电数据中的电压，它是随时间变化的。考虑到脑电数据经常是多脑电极的同 时收录，可以将上述公式做一个简单的修改，表达为：y = f ( t ，e ) 。表达式中的t 表示时间， e 表示电极。说到这里大家就能够理解脑电图研究和信息处理的关系了。 1 课题研究的背景 大脑是人类产生感觉、知觉、形成意识、进行思维活动和精神活动的结构基础。人 类依靠大脑来调动身体各部分器官，从外部环境获取信息，并对事物做出反应。人脑不 但是支配人类思考和行为的中枢，也是控制情绪和自主神经功能的最高中枢。在发现脑 电图以前，根本没有办法客观地记录时时刻刻都在变化的脑功能状态。 1 8 7 5 年英国物理学家r i c h a r d c a t o n 第一次检测到了脑部电流，但之后发展非常 缓慢，直到1 9 2 4 年，德国神经学者h a n s b e r g e r ，利用其简单的检测设备放大脑部电 活动，从而第一次在记录纸上描记到了脑部电活动。至今，已有将近8 0 年的历史，人 们对脑电的分析积累了大量的经验l l j 。 脑电图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m 以下简称e e g ) 是通过脑电图仪将脑自身微弱的生物 电放大并记录下来的一种波形图【1 1 。它是一种无损伤的探测人脑内部活动的技术，是脑 神经细胞群电生理活动在头皮表面的总体反映，在医学、心理学和认知神经科学的研究 中被广泛使用。 e e g 信号的幅值很小，传统的分析方法一般是通过同步叠加平均的方法，即对重复 出现的刺激所引起的神经电活动进行叠加来探测大脑的神经活动模式。其基本的假设是 认为相位变化的e e g 信号是一种随机信号，而重复刺激所引起的神经电活动为确定信 号，其相位不变，并且二者相互独立，因此通过叠加平均的方法可以使与某类刺激相关 的神经活动从e e g 信号的背景噪声中凸现出来。但人们越来越发现一些非相位锁定的 e e g 成分并不完全是背景噪声，其中也包含了一些与刺激相关的有意义成分， 例如 g a m m a 波振荡( g a m m a b a n da c t i v i t y ，g b a ) 被认为代表了脑神经细胞群的协同活动，与 人脑高级的认知活动相判2 1 。因此如何从e e g 信号提取有用的信息是极其困难但又非常 吸引人的研究课题。 人迮交通人学i ：硕卜学何论文 2 课题研究的发展及现状 在e e g 信号分析和处理的实际应用中相继引入了时域、频域等信号分析方法。时 域分析方法对时域中的e e g 信号波形特征参数进行识别，如幅值、波形的持续时间等， 但仅给出了信号在时间j ：的分辨率，而没有考虑信号在频率上的分辨率【3 l ；频域分析方 法是建立在假设e e g 信号具有平稳特性的基础上，同时也只考虑了信号的频域信息， 而忽略了信号在时间上的分辨率。研究表明脑电信号是非平稳的随机信号，因此脑电信 号的频域分析方法有其固有的缺陷。同时，不论是时域分析方法还是频域分析方法，都 没有考虑到脑电信号的时变特性。因此，无论是时域或频域分析还是不能充分反映脑电 信号中所包含的生理和疾病信息【4 1 。 2 0 世纪8 0 年代发展起来的时频分析方法是一类在非平稳信号分析领域占有非常重 要地位的信号分析方法。用时频分析方法分析e e g 信号在一定程度上克服了以上两种 缺陷，所以在上个世纪9 0 年代迅速发展起来。在实际应用中，瞬变信号范围比平稳信 号大得多，也更加复杂，信号在某一时刻附近的频域特征都很重要，能将时域和频域结 合起来描述观察信号的时频联合特征，构成信号的时频谱，这就是所谓的时频分析澍4 1 。 时频分析方法大致分为两类：线性时频表示和二次时频表示。前者的代表方法是短 时傅立叶变换( s t i 砷和小波变换，后者的代表方法是魏格纳分布( w 和伪魏格纳 分布( p w v ) 等。近些年神经科学领域研究人员不断探索尝试使用各类时频分析方法，并 且在病人、正常人和动物的实验中都得到了有意义的发现。这些时频分析方法中，小波 变换以其优良的数学特性在大量研究中被使用【5 j 。 小波变换的理论最初在数学领域中提出，1 9 8 4 年由g r o s s m a n 和m o r l e t 引入到信号 分析领域，但直至9 0 年代之后神经科学和信息科学的交叉融合，小波变换在e e g 信号 分析中被引起关注1 6 j 。小波变换作为一种新的多分辨率分析方法，可同时进行时域和频 域分析，具有时频局部化和多分辨率特性，因此特别适合于非平稳信号的分析。由于定 义对于小波函数的要求十分宽松，只要具有一定的震荡性即某种频率特性即可。这就为 小波函数的选择提供了广阔的空间。 m o r l e t 小波是当前使用频率最高的基本小波之一，因为它简单易于计算，并且具有 连续的表达式。t a l l o n b a u d r y ，c 等1 9 9 6 年首次成功使用m o d e t 小波对e e g 信号进 行小波变换，并在此后e e g 时频分析的一系列研究中得到了稳定可靠的结果。自此， m o r l e t 小波变换被接受为一种成熟稳定的分析技术，近几年在国外的医学、心理学和认 知神经科学研究中已被广泛使用i | 7 1 。 3 课题研究的内容及意义 e e g 信号的研究是近年来的一个热点问题。目前，各种方法已经在e e g 信号分析 2 绪沦 中获得了广泛的应用，在一定程度上这些方法都取得了较好的分析结果。但是不同的分 析方法都有其本身的特点和某些局限性。因此，找出一种能够扬长避短的方法是非常重 要的。需要设计出一种更完善的e e g 研究方法。 小波分析具有良好的时频特性，能较好的解决时域和频域分辨率的矛盾，所以小波 分析被广泛的应用于e e g 信号时频特征的分析领域。m o r l e t 复值小波是e e g 时频分析 中最常用的小波函数，可提取瞬时功率和瞬时相位，在国外的医学、心理学和认知神经 科学研究中已被广泛使用i n 。 口波是确定e e g 信号快慢的基准波，具有很多重要的生理意义，与年龄的关系很 早前就被发现了。许多研究结果证明a 波还与记忆力，认知能力，信息处理等多种脑机 能有关，并可以作为情绪表现的指标【8 , 9 , 1 0 l 。因此通过小波变换来观察口波在不同刺激事 件下的持续时间变化是非常有意义的。 本研究的内容是采用m o r l e t 小波变换来获取e e g 信号中口波随时间变化的能量分 布，并根据不同刺激事件期间获得的脑电数据得出了口波持续时问的变化规律。 为此，本研究设计了两个实验：暗算和听音乐实验。每个实验都由三个事件组成， 暗算实验分为暗算前闭眼、暗算中闭眼、暗算后闭眼；听音乐实验分为安静闭眼、听喜 欢音乐、听不喜欢音乐。经实验得到的脑电图数据根据计算得出口波持续时间，再分析 不同事件下a 波持续时间的变化趋势得到结果，进一步探索口波的持续性在脑信息处理 方面的功能和作用。 3 j 连交通人学1 c i o ! t - ：学位“：文 第一章脑电图知识及分析方法 脑电i 訇( e e g ) 是通过脑电图描记仪将腑自身微弱的生物电方法记录成为一种曲线 图，是脑神经点生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。它是通过仪器把脑细胞的 电活动记录在纸上而形成的。通常所指的脑电图e e g 检测是通过按照一定规则放置在 头皮上的电极来观察脑电活动的过程i l 。 1 1 脑电图的描述 e e g 从表面看杂乱无章，其实是它由具有各种频率和波形的多个构成要素组成，例 如当枕部高波幅的口波连续出现时，口波多重叠于低波幅的慢波上，并可有低波幅陕波 成分同时存在【。脑电图上属严格意义上的正弦波并不存在，因而不仅要对其作波幅与 周期的量的描述，还须作波形的观察。笔者将脑电图进行频率分析之后( 图1 1 ) ，可知脑 电图由各种频率成分构成。 能 b 多 电 压 图1 1e e g 信号、f f f 功率谱 a 原始e e g 信号b f f t 功率普 f i 9 1 1e e gs i g n a l f f rp s d ( p o w e rs p e c t r u md i a g r a m ) a o r i g i n a le e gs i g n a l b f f tp s d 图1 1 中a 图为采集的原始e e g 信号，其纵坐标上的变化反映其波幅( 电压) 的高度； 横坐标上的变化反映其电位活动时间的长短；图1 1 中b 图为对原始e e g 信号进行功率 谱分析后的结果，其横坐标表示的频率( 笔者在此只截取了0 - 3 0 h z ) ，纵坐标上反映其不 同频率信号的功率变化。 e e g 中的波( w a v e ) l 腚义为：脑电图记录中电极对之间的电位差的变化。脑电图的 4 第章脑l 乜图失i ：谚：及分析方法 描述除波这一术语外，还有活动( a c t i v i t y ，如1 3 活动、口活动) 、节律( r h y t h m ，如1 3 节 律、口节律、棘慢波节律等) 、复合波( c o m p l e x ，如棘慢复合波、尖慢复合波、k 复合波 等1 各种术语i 。 以往没有清楚地区别口波、口活动、口节律等术语，出现了习惯性混用的情况，如 把作为脑电图记录所描述的波称作口波，产生口波的脑电活动称作口活动。根据国际脑 电图学会联合会术语委员会的推荐，所谓活动，定义为“脑电图的波或波的连续 1 1 。 复合波( c o m p l e x ) 被定义为“具有特征性的波形，或以相当恒定的波形，或以相当恒定的 波形反复出现，与毕竟活动由区别的2 个或2 个以上的波的连续 l l 引。 这里介绍一下有关背景活动( 背景脑电活动) 与基本节律( 基础波) 这两个术语。当棘 波和特定的一过性阵发波作为需要研究的问题时，把构成这种以外的波称作背景活动 ( b a c k g r o u n da c t i v i t y ) ，其定义为“构成某正常或异常脑电图波形的背景，且与这些特定 的波形有区别的脑电活动 。基本节律( b a s i cr h y t h m ) j 区_ 个术语，它不是一过性现象，是 持续性出现的形式脑电图的大部分的节律，多由口节律和快波等构成。如果采用国际术 语委员会推荐的“节律 和“活动 的定义，也许使用基本活动( b a s i ca c t i v i t y ) ，但是仍 习惯用“基本节律 这一概念【1 1 】。 脑电图上没有严格意义的正弦波( s i n ew a v e ) ，而是接近正弦波的现象，因而为了描 述脑电图，与j 下弦波同样首先必写明周期( 频率) 、波幅、位相等要素。由于脑电图不是 严格的正弦波，除频率外还必须要进一步描述波的特征与波形l l 】。 综合考虑其他的因素，为了描述脑电图，如下几个术语是必要的：频率或周期 ( f r e q u e n c yo rp e r i o d ) ；波幅( a m p l i t u d e ) ：位相关系( p h a s er e l a t i o n s ) ：量( q u a n t i t y ) ： 波形( w a v ef o r m ，m o r p h o l o g y ) ；分布与出现部位( d i s t r i b u t i o n ，t o p o l o g y ) ：反应性 ( r e a c t i v i t y ) 变异性( v a r i a b i l i t y ) 、持续性( c o n t i n u o u s ) 、散在性( r a n d o m ) 、阵发性( p a r o x y s m a l ) 等。在这里就其概念加以简单说明。 ( 1 ) 频率与周期 测量脑电图的周期时，与正弦波不同，是把脑电图的波峰与波峰，或波谷与波谷的 距离作为持续时间( d u r a t i o n ) 周期。由于记录下来的波在许多情况下都不是单一形态的 波，往往是一个大波上重叠有周期比它短的波( 波上有波) ；既不是每一次电活动从基线 开始，也不是每个电活动一定回到基线，那么在这些情况下，应该这么计算。 1 ) 选择基线稳定的记录部分进行周期及波幅的测量。 2 ) 凡波的下降支未回到基线，但等于或大于上升支的三分之二时为一个波。 3 ) 当前波的波底过深，后波下降部分虽不及上升部分的三分之二，但下降部分已回 到基线者，后波应算一个波。 同一周期的脑波在一秒钟内重复出现的次数称频率，以h z 表示。当同一频率的脑 5 人迕交通人。t 学硕l 学f ? ? 论芝 波重复出现持续达一秒或一秒以上者称之为节律，持续达5 秒以上者称长程节律，不足 一秒者称为短程节律。数个波连续出现者称之为活动，但常泛指各种频率的长短程的脑 电变化。 ( 2 ) 波幅 波幅又名振幅或电压，代表脑部电位活动的大小，系指波顶到波底的垂直高度，用 微伏以v ) 表示。测量波幅的方法目f ； 使用得比较多的方法如下： 基线稳定，波形单一，其上升支起点与f 降支终点均在同一水平线上时，测量 波项到波底问的垂直线的距离，为波幅的高度； 波的上升支起点与下降支终点不在同一条基线上时，从波顶向基线作垂直线， 与波之起点和终点的连线相交，则波项与交点间的距离为波幅的高度； 遇复合波或复形波时，测量其最高处到底间的距离。 ( 3 ) 位相关系 位相这个术语，严格地说是指在一个正弦波中的波幅与时间的关系，但就脑电图而 言，普遍指一道记录中的波的各部分的时间关系，或两道以上记录的波的各部分之间的 时间关系。若两个波峰和波谷位置完全一致时，称两个脑电图同位相，即位相的差为零； 若两个波出现的先后不同，有时间的差异，称非同位相或称有位相差，如错位为9 0 度 时，称有1 4 周期的位相差；当两个波错位为1 8 0 度时，称之为位相倒置。 同位相可在正常和异常两种情况下出现。j 下常情况两侧对称部位的同一频率的脑波 常常是同位相的。若两侧对称部位出现同位相的大慢波时则多为异常，可能提示为中线 深部结构病变。非同位相也可属于正常或异常。正常时在项颞部左右对称部位可有位相 差存在。但不论任何部位出现非同位相的大慢波时常表示大脑皮层有病变存在。在判断 有无位相差时，需要排除技术伪差。至于位相倒置，在正常人中除额部与顶枕部之间位 相常相反外，在同侧半球其它部位前后( 或左右) 两个导联之间出现位相倒置时应属于异 常，常提示在该两个导联间或其附近有病变存在。 ( 4 ) 量 在一定时间内，某特定的波出现的量，多数以在一定时间内此波出现时间的百分率 表示。然而这个术语往往使用于波的数量与波幅。 ( 5 ) 波形 如前述，脑电图的波不是正弦波，显示各种形状。口波、快波的波形式正弦波样 ( s i n u s o i d a l ) ，棘波、尖波由于具尖锐的波形，特别陡峭的上升，突出于其他的背景活动。 ( 6 ) 分布与出现部位 某特定的脑电图波在头颅上的哪个部位出现，即从脑的哪个部位出现，如口波在枕 部占优势，棘波局限于左颞部等。 6 第一章腑电矧知识成分析方法 ( 7 ) 反应性 所谓反应性，指感觉刺激或其他! e 理学的行为使脑电图的某种节律或整个脑电图发 生的变化，如枕部的口波因睁眼而衰减( 口波被抑制) ；低氧状态时，口波的周期逐渐 延长。 ( 8 ) 变异性 变异性即脑波的不同出现方式( 形式、样式) ，指特定的波或持续性的出现，或以不 确定的间隔反复出现，或阵发性地突然开始突然结束。 信号的时间、波幅和位相等即为组成e e g 的基本成份。e e g 的分析主要是分析这 些基本的成分和它们之间的相互关系。 1 2 脑电图的分类 为了描述脑电图，就必须描述其频率、波幅、波形、位相等几个事项。其中在临床 脑电图学上更重要的是频率( 频度) 。根据脑电图的频率分类，各研究者多少有些不同， 现将其归纳如下表1 1 。 表1 1 波的分类( 单位为h z ) t a b l e l 1c l a s s i f i c a t i o no f w a v e s ( u n i t s ：r l z ) 作者 6 波a 波口波中间快波 1 3 波y 波 w a l t e r0 5 3 54 78 1 31 4 2 5 2 6 以上 g i b b so 5 - 56 1 31 4 3 0 s c h w a b0 5 34 - 78 1 31 4 1 71 8 3 0 3 1 以上 s t r a u s 0 58 1 3 1 6 3 0 c a r s c h eo 5 - 34 78 1 31 4 3 0 3 1 以上 本川弘一 1 67 5 1 3 1 4 以上 和田丰治 o 5 3 4 7 8 1 31 4 1 71 8 3 0 3 1 以上 通常脑电图分为6 个如下频带( f r e q u e n c yb a n d s ) ，把快波包括为b 波之后便成为4 个频带：慢波( s l o ww a v c ) ：6 波( d e l t aw a v e ) 0 5 3 h z ，0 波( t h e t aw a v e ，中间快波) 4 7 h z ； 口波( m p h aw a v e ) 8 - 1 3 h z ；快波( 或b 波) 1 4 h z 以上；中快波( i n t e rm e d i a t ef a s tw a v e ) 1 4 - 1 7 h z ：b 波( b e t aw a v e ) ，y 波( g a m m aw a v e ) 3 0 h z 以上1 1 1 。 除了上面按频带划分的几种脑电波，以下还介绍几种异常的脑电波： ( 1 ) 节律( 弓形波、弓状波) ：波类似于口波的频率，往往出现于中央沟附近。一 般比枕部的口波更快，与口波不同，节律不受睁眼、心算等影响。 ( 2 ) k 节律：频率类似于6 - - - 1 2 h z 的口节律，与枕部的o t 节律无直接关系，即使睁 眼也几乎不被抑制，可在两侧颞部电极间的导联记录到。 7 人连交通j 学一1 ：学硕1 j 学何沦文 ( 3 ) 棘波：是一种时限短的电位( 2 0 ，- - - - 8 0 m s ) ，呈垂直上升和下降，波幅较高约为1 0 0 2 0 0 i v ，棘波的极性向上者称为阴性棘波，向下者称为阳性棘波。棘波多为病理性波。 常见于局限性癫痫、癫痫大发作、肌阵挛性发作、间脑癫痫等。 ( 4 ) 尖波：又称锐波，形状近似于棘波，但周期较长。时限在8 0 - - 一3 0 0 m s 之间、形 态是快直上升而缓慢下降的三角形波，波幅可达2 0 0 i v 以上，也是一种病理波，是皮质 刺激现象，多见于癫痫。 ( 5 ) 棘慢复合波：这是一种由一个棘波和一个慢波( 口或6 ) 交替结合起来的放电，是 两侧对称的每秒三次的复合波，以额部最为显著。这种波形的出现是癫痫小发作特有的。 ( 6 ) 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见 于局限性癫痫。图1 2 所示为几种典型的脑电节律： $ 书椽- _ 黼- k ， a 节雒卅喇硼嘶州_ 0 书律a t v l r c x r v 、- 6 节德v 八 t 节律 一 m 峨一 棘爷律嘶删 征榴棘节律螂吲孵州 尖节律帆饥 棘一馒节律一f 黼 多麓慢节律w 1 图1 2 典型脑电节律 f i 9 1 2at y p i c a le e gr h y t h m 1 3 正常人的脑电图 脑电图与其他生理指标一样，有一定的衡量标准。正常脑电图有时也可见于一些非 健康人( 如患有精神系统或其他系统疾病) ，而健康人( 无脑部疾病) 的脑电图约有1 0 1 5 也会呈现出轻度异常现象。定量分析脑电图时，一般以9 5 为一个限定范围来定义 正常脑电图，偏离这个范围的为异常。 正常成人清醒时脑电图中，构成脑电图的主要节律波即基本波的频率多数属于口波 范围，即为8 1 3 h z ，一般也混有少量的( 1 5 以下) 低幅1 4 - - 3 0 h z b 波和4 - 7 h z 0 波。 约有6 的正常人即使在精神安定和闭眼条件下记录到的脑电图仍是以b 节律为主调节 律，称为快波型脑电图或b 型脑电图。 8 筇青脑电! q 知识及分析方法 1 3 1 正常人的脑电图在生理范围内产生变动的诸因素 即使是正常人，由于下列诸幽素影响脑电图表现会有相当大的变化。 ( 1 ) 年龄：脑电图在新生儿几乎近于平坦，在幼儿慢波多，相当于口波的频率也慢。 随着年龄增长脑电图接近成人，a 波的频率增加接近1 0 h z 1 3 , 1 4 l 。 ( 2 ) 意识状态：与从觉醒到睡眠的各种意识水平对应，脑电图表现与觉醒不同特征 的图像，因此反过来，能够由脑电图像推定睡眠的各阶段。 ( 3 ) 睁眼、闭眼：脑电图受身体内外的感觉刺激的影响，特别是当被检验者睁眼时、 闭眼时，会表现出显著不同的脑电图像。 ( 4 ) 精神状态：被检者是在安静的状态、或紧张、兴奋不稳定等状态，还是出于注 意力集中和精神活动等状态，脑电图都受到相当大的影响。 ( 5 ) 生理学环境的变化：吸气中氧分压的变化( 低氧状态) 和二氧化碳分压的变化、 血糖值( 尤其是低血糖) 、血液循环障碍、发热、基础代谢的变动等，均可引起脑电图的 变化。 ( 6 ) 个体差异：即使是正常人，既有口波出现率高的也有几乎看不到口波的，并且口 波波幅高低及快波多少都有差别。虽然这些脑电图像都在生理范围内，但都表现出相当 大的个体差异。 ( 7 ) 药物：脑电活动受到各种药物的影响。 另一方面，脑电图不因人种、民族和性别等不同表现显著的不同，并且在同一个体 中因时间的差异也少。 1 3 2 男性脑和女性脑的差异 科学家发现，在信息记录、语言加工以及脑的大小与分区等方面，男女都存在着显 著的差异。这一特性表现在性格上，男性更注重理智，女性更感情用事；表现在注意力 上，男性注意多定向于事，女性注意多定向于人；表现在记忆力上，男性的理解记忆和 抽象记忆较强，而女性的机械记忆和形象记忆较强，这也是女性语言能力较强的原因； 表现在想象力上，男性的想象力偏重于逻辑性方面，而女性的想象力偏重于形象化方面， 等等【1 5 l 。 大脑两半球功能的分化，男性和女性同样呈现显著的不同。男性比女性的侧性化程 度要高。加拿大科学家发现，在处理空间信息方面，男孩右脑在6 岁左右就已经比左脑 半球更专门化，而小女孩要到青春期才出现这种专门化。目前还不清楚这样的差别会对 行为产生什么影响，但以前研究已经显示，女性更有可能同时使用脑的多个部位，而男 性更倾向于作出集中的反应。 当从事一种空间概念智力活动时，男性集中于大脑右半球，而女性则两半球都活动。 这表现在空间能力方面，女性的大脑分工比较广泛，男性的大脑分工比较明显；在支配 9 人连交通大学i ：学硕一p 何论文 语言能力方面，女性控制语言过程的左脑半球的专门化速度要比男性快。对左脑受损伤 的人的研究显示，男性恢复说话能力的可能性要小于女性。德国波恩的研究人员认为， 男性的语言能力主要来自左脑。而左脑受损的女性却通常能保留部分语言技能。 这个差异可以部分地解释为什么研究显示女性幼婴比男性幼婴更早开f _ i 说话，而且 词汇较丰富，很少出现语言能力上的缺陷，阅读书写比较早，因此女孩学外语比男孩更 容易一些。 宾夕法尼亚大学的研究人员发现，在完成语言和空间任务的时候，女性脑的活跃区 域要多于男性。这个特征会提高女性在同一时刻将注意力集中在多处的能力。 1 3 3 口波 口波( 口w a v e ) 是确定脑电图快慢的基准波，具有1 0 h z 左右即8 - 1 3 h z 的频率，在 正常成人的顶枕部最明显。波幅5 0 比v 左右的口波在枕部连续优势出现，这种口波通常 混有波幅1 0 2 0 , u v 的快波1 1 6 1 。 ( 1 ) 口波的频率 口波的频率规定为8 - 1 3 h z ，但成人通常是1 0 h z 左右。口波频率在8 h z 左右时称作 慢口活动( s l o wa l p h aa c t i v i t y ) ，估计存在某些脑功能障碍。也有相当一部分正常人表现 为1 2 1 3 h z 的口波，与1 0 1 l h z 的口波相比，其出现的频度较低，并且同一个人也表现 有9 1 0 h z 与1 1 1 2 h z 等2 个o t 波频带的峰值。口波的频率因为记录部位的不同而有些 不同，一般额部的口波比枕部要慢，其频率差可达到1 h z 。口波的频率随着脑电活动水 平的不同而在8 1 3 h z 的范围内有相当大的波动，所以把口波再分割为两三个频带进行 研究的也不少。 ( 2 ) 口波的波幅 口波的波幅根据导联法的不同而不同，且有相当大的个体差异，大约2 0 5 叩v ，枕 部的波幅最高，向头的前方逐渐变低【1 7 1 。 ( 3 ) 口波的分布 口波通常优势地的出现于顶部和枕部，特别是在枕部波幅最高，出现频度也高。 a d r i a n 等曾根据口波在头项部、枕部附近呈位相倒置，推定口波的发生源在枕叶。口波 在这个部位占优势的原因还未弄清，但是快波在额部、中央部多，大概与大脑皮质细胞 的组织结构不同及皮质下诸核的功能联系等有关。 ( 4 ) 左右差 口波以及快波在左右大脑半球的同名部位( h o m o l o g o u sa r e a s ) 大体左右对称，其频 率、波幅、出现率、位相等多相刚1 8 l 。然而，即使正常者脑电图也有表现左右差的时候， 多数报告a 波右侧波幅高。例如，a i r d 等( 1 9 5 9 ) 观察到1 6 6 的正常成人枕部的a 波波 幅有左右差异，1 2 4 右侧的波幅比左侧高，4 2 左侧波幅高。c o m i l 、g a s t a u t 等( 1 9 4 7 ) 1 0 第一章脑i u 图知、j ! 及分析方法 观察到5 8 的右利者表现有右侧优势口活动，w a l t e r ( 1 9 6 3 ) 、k o o i 等( 1 9 6 4 ) 也见到a 活 动右侧优势，0 活动左侧优势倾向，m o r g a n 等( 1 9 7 4 ) 也观察到枕部的口波右侧优势。一 般认为一旦脑的某部位处于活动状态，该部位口波的波幅就变低。例如，一般认为进行 语言。处理是左半球口波的波幅降低，进行空间处理时右半球a 波的波幅降低【”刎。 ( 5 ) a 波对刺激的变化 口波最具有特征的特质之一是由于睁眼而被抑制，称之为口抑$ 1 ( a l p h ab l o c k a d e ) 。1 9 6 6 年的国际脑电图学会联盟推荐中提倡使用衰减( a t t e n u a t i o n ) 这个术语来取代抑制 ( b l o c k i n g ) ：i 塞_ 个词。a 波由于光刺激等产生的衰减，在枕部最明显通常各个导联部位的口 波都会衰减1 2 1 i 。 1 4 脑电图的现代分析方法 1 9 3 2 年，d i e t c h 首先用傅罩叶变换进行了e e g 分析。此后该领域相继引入了时域 分析、频域分析等脑电图分析的经典方法。时域分析方法直接在时间域中对系统进行分 析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。主要用于分析e e g 波形的几何性质， 如幅度、均值、方差、偏歪度、峭度等。频域分析方法采用傅立叶变换将时域信号x ( t ) 变换为频域信号x ( o ，主要是基于e e g 各频段功率、相干等，使人们能够从另一个角 度来了解信号的特征。近年来，如小波分析、神经网络分析、混沌分析等在脑电图分析 中的运用，代表了脑电信号现代分析方法的新进展。 1 4 1 时域分析 时域分析主要是直接提取波形特征，以供进一步的分析和诊断。因为其它直观性强、 物理意义较明确，所以至今仍为不少脑电图工作者使用。尽管大量脑电信息从频域观察 更为直观，但也有些重要信息在时域上反映更为突出，如反映癫痫信息的棘慢波，反映 睡眠信息的梭形波等瞬态波形。因此时域分析在目前脑电定量化分析中同样占有重要的 位置。时域分析包括过零截点分析、直方图分析、方差分析、相关分析、峰值检测及波 形参数分析、相干平均、波形识别等等，对临床e e g 记录的视觉分析，可以看成一种人 工时域分析i 引。 过去的e e g 分析主要靠肉眼观察，这也可以看作是人工时域分析。由于时域波包 含e e g 的全部信息，而且时域分析一般都是对e e g 波形的一次性处理，因而，在处理 过程中损失的信息也较少。由于e e g 中的一些重要特征一般都是使用波形定义的，如 癫痫发作时的棘慢复合波，反映睡眠深度的梭形波和k 一复合波等，因此时域分析不仅 直观，而且分析结果的意义也明确。然而它的波形太复杂，目前还没有特别有效的分析 方法。近年来在波形特征识别、模板识别及在自适应滤波等技术上均取得了不少进展。 此外，利用a r 等参数模型提取特征，也是时域分析的一种重要手段，这些特征参数可 人连交通人学硕f ：学位论文 用于e e g 的分类、识别和跟踪【3 2 】。 1 4 2 频域分析 信号频域分