（生物医学工程专业论文）睡眠脑电信号的分析与处理方法.pdf

西北工业大学硕士学位论文 abs tract t h e v a r i o u s k i n d s o f b r a i n i l l n e s s a n d i l l n e s s o f n e u r a l s y s t e m a n d s o c i a l a g i n g m a k e b r a i n s c i e n c e b e c o m e t h e m o s t c h a l l e n g i n g r e s e a r c h i n t h e 2 1 s t c e n t u r y . i t i s c r u c i a l t o d e c r e a s i n g t h e i n c i d e n c e o f b r a i n i l l n e s s t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f d i a gno s i s i n e a r l y s t a g e . t h e s le e p e e g i s o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t m e t h o d s i m p r o v i n g t h e e f f i c i e n t o f t h e d i a g n o s i s . t h i s p a p e r m a i n l y f o c u s e s o n t h e f i l t e r a n d r h y t h m d e t e c t i o n u s i n g w a v e l e t t r a n s f o r m , a n d s l e e p d e p t h m e a s u r e m e n t u s i n g l e m p e l - z i v c o m p l e x i t y . i n t h e t h e s i s , th e c o n te n t is a s f o llo w: d is s e rt a tin g th e e e g d e te c tio n a n d a n a l y s is m e th o d s i n s i d e a n d o u t s i d e , i n g e n e r a l . t o e l i m i n a t e w h i t e n o i s e a n d d i s t u r b a n c e s , w h i c h i n c l u d e b a s e l i n e m o v e m e n t , t r a n s i e n t p u l s e i n t e r f e r e n c e a n d m u s c l e d i s t u r b a n c e , i n e e g u s in g w a v e l e t t ra n s f o rm . d e te c t in g e e g b a s ic r h y th m s a n d e p ile p ti c w a v e s b a s e d o n t h e m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s o f t h e w a v e l e t t r a n s f o r m a n d s i n g u l a r i t y d e t e c tio n te c h n o l o g y . s l e e p s e g m e n t a ti o n u si n g t im e - w in d o w l e m p e l- z iv c o m p le x it y m e a s u r e . c o m p a r in g w it h th e c o m m o n c o m p l e x it y m e a s u r e . f r o m t h e r e s u l t o f t h e s i m u l a t i o n , i t c a n b e d r a w n t h a t t h e t i m e - w i n d o w c o m p l e x i t y m e a s u r e c a n h e l p f u l d i s t i n g u i s h t h e s l e e p s t a g e s . k e y wo r d s : s l e e p e e g r h y t h ms d e t e c t i o n wa ve l e t t r a n s f o r m c o m p l e x i t y m e a s u r e d i g i t a l f i l t e r i n g s l e e p s e g me n t a t i o n 西北 业大学硕 七学位论文 第 1 章 绪论 脑电信号 1 . 1 . 1概述 人是万物之灵，而灵之所在就是人的感觉和思维活动的中心大脑。 为 了理解大脑的 活动. 并通过对脑活动的掌握来改善脑的状况。 更好的发挥大 脑 的功能和潜力， 从而造福于人类，世界众多 学科的很多科技工作者开始积极的 对人脑进 行研究。 对于脑的研究包括脑的高级活动 ( 如学习、记 忆、 理解等) 的研究，脑的 功能性障碍的 研究和脑的生理与 病理性疾病的 研究等三个方面。 脑结构的复杂 性，神经联系的丰富性，决定了 脑研究是一个内容十分繁杂而又困 难的课题， 它涉及到神经电生理学、生理解剖学、神经化学、生物物理、生物化学、信号 处理、智能技术、临床医学、心理学等诸多 学科。 因此脑研究的手段也是丰富 多 彩的， 概括起来， 脑研究的方法可分为 三类i l 1 i 2 l 13 第一类是以脑组织解剖和神经电生理为基础的方法， 这种方 法通过刺激皮 层的某一区域或取掉皮层的某一部分来观察机体的运动、 识别出新的 感觉或语 言能力的相应改变来对大脑皮层进行功能定 位。 第二类是从研究脑活动的物质基础着手，对维持脑的正常代谢与功能活动 的物质基础进行研究，这也是生理学、神经化学、生物物理和生物化学等学科 都很关心的问 题，其中有两个主要的方向:一是脑的血液循环的 研究， 包括脑 的血液供应 ，脑血液的调节，影响脑血流的因素，脑功能及脑代谢与脑血流的 关系等;二是学习、记忆等高级活动的 物质基础的研究， 这类研究的方法一般 是在对动物进行某种特定训练后，对该 动物的脑提取物进行生化分析， 与未经 训练的 情况进行对比，或者将影响体内生物高分子或者神经递质活动的药物注 入脑内， 观察它们对学习、记 忆活动的 影响，从而研究学习记忆的 物质基础， 以及与这些活动有关的皮层区域。目前，关于记忆活动的物质基础的研究己经 深入到分子水平。 第 三 类是从脑活动和脑状态的识 别入手的方法，这类方法就是对脑的电磁 信号进行研究的内容，利用适当的方法对脑的电磁信号进行提取、处理和分析， 西北 业大学硕 七学位论文 第 1 章 绪论 脑电信号 1 . 1 . 1概述 人是万物之灵，而灵之所在就是人的感觉和思维活动的中心大脑。 为 了理解大脑的 活动. 并通过对脑活动的掌握来改善脑的状况。 更好的发挥大 脑 的功能和潜力， 从而造福于人类，世界众多 学科的很多科技工作者开始积极的 对人脑进 行研究。 对于脑的研究包括脑的高级活动 ( 如学习、记 忆、 理解等) 的研究，脑的 功能性障碍的 研究和脑的生理与 病理性疾病的 研究等三个方面。 脑结构的复杂 性，神经联系的丰富性，决定了 脑研究是一个内容十分繁杂而又困 难的课题， 它涉及到神经电生理学、生理解剖学、神经化学、生物物理、生物化学、信号 处理、智能技术、临床医学、心理学等诸多 学科。 因此脑研究的手段也是丰富 多 彩的， 概括起来， 脑研究的方法可分为 三类i l 1 i 2 l 13 第一类是以脑组织解剖和神经电生理为基础的方法， 这种方 法通过刺激皮 层的某一区域或取掉皮层的某一部分来观察机体的运动、 识别出新的 感觉或语 言能力的相应改变来对大脑皮层进行功能定 位。 第二类是从研究脑活动的物质基础着手，对维持脑的正常代谢与功能活动 的物质基础进行研究，这也是生理学、神经化学、生物物理和生物化学等学科 都很关心的问 题，其中有两个主要的方向:一是脑的血液循环的 研究， 包括脑 的血液供应 ，脑血液的调节，影响脑血流的因素，脑功能及脑代谢与脑血流的 关系等;二是学习、记忆等高级活动的 物质基础的研究， 这类研究的方法一般 是在对动物进行某种特定训练后，对该 动物的脑提取物进行生化分析， 与未经 训练的 情况进行对比，或者将影响体内生物高分子或者神经递质活动的药物注 入脑内， 观察它们对学习、记 忆活动的 影响，从而研究学习记忆的 物质基础， 以及与这些活动有关的皮层区域。目前，关于记忆活动的物质基础的研究己经 深入到分子水平。 第 三 类是从脑活动和脑状态的识 别入手的方法，这类方法就是对脑的电磁 信号进行研究的内容，利用适当的方法对脑的电磁信号进行提取、处理和分析， 西j 七 1 二 业大学硕十学位论文 然后提取一定的特征，以对脑活动、脑状态进行识别，也可以将其应用于人体 在特定状态下的大脑活动区 域的定位等，或利用生物反馈方法对人脑进行 功能 调节训练。而这类也是本文所要研究的内容。 以 上三种方法分别从不同的角度对脑 进行研究， 第一类是在脑研究的历史 上最早采用的方法，它比 较粗劣， 但这种方法比 较直接，因 此用它进行脑活动 的定位， 其结果有一定的指导意义， 有助于其它方法进行 深入的 研究。 第二类 方法研究脑活动的物质基础，是研究脑活动机制的 根本， 但由于 脑活动十分复 杂，特别是脑的高级活动，往往牵涉到许多部分的参与，因此，分析脑活动的 物质基础往往需要参考其它方法的研究结 果，从脑的 相应部分提取物质， 进行 分析。这两种方法都是有创伤的研究，因而往往只能在动物身上进行，所以研 究的结果与临床应用存在一定的距离。 脑电 研究是一种无创伤的手 段，可以 直 接在人体上进行， 而且方便灵活，适合于临 床应用。 但是， 脑电 信号是大脑的 神经元电 活动的综合反映，身体任何系统 和器官的活动和状态或多 或少的与之 有直接或间 接的联系，因而它携带相当 丰富的信息， 所以 如何从中 提取我们所 关心的信息，是一个非常困 难的问 题。正因为如此，脑电 的研究进展一直很缓 慢。 近几十年来， 计算机技术的发展， 信息处理方法的应用， 给脑电的 研究带 来了新的活力，也给我们开辟了一个广阔的研究领域 4 5 1 就脑电的临床应用来说，己同脑磁、心磁及心电技术一样，己经用于临床 诊断与医学研究工作中，特别是神经医学诊断研究中。其中由 于自 发脑电 波蕴 涵的信息比 较丰富，可用于病灶的定位， 平时的监护与跟踪治疗，以 及d痈与 脑病 变 ( 特别是神经病变) 、 精神分 裂及p a r k i n s o n氏与h u n t i n g t o n 氏 综合症的 研究。虽然在康复工程上还没有得 到广泛的应用， 但是它的应 用前景是不能被 忽视的。 1 . 1 . 2脑电图 人脑的电活动首先是由德国精神病学家h a n s b e r g e r 发 现的， 他于1 9 2 4 年 开 始 研究 ， 并 命 名为e le c tr o e n c e p h a lo g r a m ， 简 称e e g 。目 前 脑电 图己 成 为 一 项常规的临床检查，它在脑功能评估方面的作用是任何 其它方 法不可替代的。 脑电是大脑神经元突触后 电位的综合， 是大脑神经电活动产生的电场经容积 导 体 由脑皮质、颅骨、脑膜及头皮构成 )传导后在头皮 仁 的电位分布。利用在 西j 七 1 二 业大学硕十学位论文 然后提取一定的特征，以对脑活动、脑状态进行识别，也可以将其应用于人体 在特定状态下的大脑活动区 域的定位等，或利用生物反馈方法对人脑进行 功能 调节训练。而这类也是本文所要研究的内容。 以 上三种方法分别从不同的角度对脑 进行研究， 第一类是在脑研究的历史 上最早采用的方法，它比 较粗劣， 但这种方法比 较直接，因 此用它进行脑活动 的定位， 其结果有一定的指导意义， 有助于其它方法进行 深入的 研究。 第二类 方法研究脑活动的物质基础，是研究脑活动机制的 根本， 但由于 脑活动十分复 杂，特别是脑的高级活动，往往牵涉到许多部分的参与，因此，分析脑活动的 物质基础往往需要参考其它方法的研究结 果，从脑的 相应部分提取物质， 进行 分析。这两种方法都是有创伤的研究，因而往往只能在动物身上进行，所以研 究的结果与临床应用存在一定的距离。 脑电 研究是一种无创伤的手 段，可以 直 接在人体上进行， 而且方便灵活，适合于临 床应用。 但是， 脑电 信号是大脑的 神经元电 活动的综合反映，身体任何系统 和器官的活动和状态或多 或少的与之 有直接或间 接的联系，因而它携带相当 丰富的信息， 所以 如何从中 提取我们所 关心的信息，是一个非常困 难的问 题。正因为如此，脑电 的研究进展一直很缓 慢。 近几十年来， 计算机技术的发展， 信息处理方法的应用， 给脑电的 研究带 来了新的活力，也给我们开辟了一个广阔的研究领域 4 5 1 就脑电的临床应用来说，己同脑磁、心磁及心电技术一样，己经用于临床 诊断与医学研究工作中，特别是神经医学诊断研究中。其中由 于自 发脑电 波蕴 涵的信息比 较丰富，可用于病灶的定位， 平时的监护与跟踪治疗，以 及d痈与 脑病 变 ( 特别是神经病变) 、 精神分 裂及p a r k i n s o n氏与h u n t i n g t o n 氏 综合症的 研究。虽然在康复工程上还没有得 到广泛的应用， 但是它的应 用前景是不能被 忽视的。 1 . 1 . 2脑电图 人脑的电活动首先是由德国精神病学家h a n s b e r g e r 发 现的， 他于1 9 2 4 年 开 始 研究 ， 并 命 名为e le c tr o e n c e p h a lo g r a m ， 简 称e e g 。目 前 脑电 图己 成 为 一 项常规的临床检查，它在脑功能评估方面的作用是任何 其它方 法不可替代的。 脑电是大脑神经元突触后 电位的综合， 是大脑神经电活动产生的电场经容积 导 体 由脑皮质、颅骨、脑膜及头皮构成 )传导后在头皮 仁 的电位分布。利用在 西北 业大学硕士学位论文 头皮上安放的电极将大脑细胞的电活动引出来并经脑电图机放大后记 录在专门 的纸上，即得出有一定波形、波幅、频率和相位的图形、曲线，即为脑电图。 当 大脑组织发生病理或功能改变时， 这种曲 线即发 生相应的改 变，从而为临 床 诊断、治病提供依据。脑电图反应了大脑组织的脑电活动及大脑的功能状态。 如何从脑电信息中提取可靠参数来反应大脑的功能 状态一直是人们希望解决的 课题之一1 6 1 1 . 2研究内容及意义 1 . 2 . 1研究内 容 脑电信号本身就反映的是脑神经系统的功能， 对其的研究主要表现为对脑 电 信号的 采集、处理，以 期在生命科学上达到对大脑机能的认识、 在临床上达 到对疾病的诊断与治疗以及在康复工程上通过计算机达到对外部设备的控制 ( 即脑一机接口)1 0 睡眠脑电就其名字而言就是指睡眠状态 下的脑电 信号 ( 其本身也是脑电信 号的一种表现) 。 睡眠脑电信号检测与处理的主要功能是指在人进入睡眠状态下 利用安放在头皮上的电极将大脑细胞的电活 动所表现出来的电信号经过检测滤 波、数据采集，再利用计算机对信号进行数字滤波、处理，动态地监测人在睡 眠状态下的脑电信号。 本文就是 针对睡眠脑电信号检测与处理而进行的， 主要内容为: 对脑电 信号的成因进行探讨; 对脑电 信号的检测方法 ( 在这里主要包括脑电 信号的 电极安放方法、模拟放大、模拟滤波以 及对于脑电 信号分 析、处理的通用处理 方法) 进行论述:应用小波变换与非线性动力学的理论方法对从 m i t - b i h 数据库中得到的 脑电信号的原始数据进行计 算机仿真处理，即首先运用小波变 换的滤波方法对原始数据进行数字滤波 ( 滤除噪声以 及基线漂移、尖脉冲、 肌 电 等干 扰) ， 然后再运用小波变换的多 分辨率分析和奇异点检测方法来对脑电 信 号的特征节律进行提取， 最后利用非线性动力学的复杂性测度理论根据脑电 信 号的复杂度来表征所处的睡眠状态。 西北 业大学硕士学位论文 头皮上安放的电极将大脑细胞的电活动引出来并经脑电图机放大后记 录在专门 的纸上，即得出有一定波形、波幅、频率和相位的图形、曲线，即为脑电图。 当 大脑组织发生病理或功能改变时， 这种曲 线即发 生相应的改 变，从而为临 床 诊断、治病提供依据。脑电图反应了大脑组织的脑电活动及大脑的功能状态。 如何从脑电信息中提取可靠参数来反应大脑的功能 状态一直是人们希望解决的 课题之一1 6 1 1 . 2研究内容及意义 1 . 2 . 1研究内 容 脑电信号本身就反映的是脑神经系统的功能， 对其的研究主要表现为对脑 电 信号的 采集、处理，以 期在生命科学上达到对大脑机能的认识、 在临床上达 到对疾病的诊断与治疗以及在康复工程上通过计算机达到对外部设备的控制 ( 即脑一机接口)1 0 睡眠脑电就其名字而言就是指睡眠状态 下的脑电 信号 ( 其本身也是脑电信 号的一种表现) 。 睡眠脑电信号检测与处理的主要功能是指在人进入睡眠状态下 利用安放在头皮上的电极将大脑细胞的电活 动所表现出来的电信号经过检测滤 波、数据采集，再利用计算机对信号进行数字滤波、处理，动态地监测人在睡 眠状态下的脑电信号。 本文就是 针对睡眠脑电信号检测与处理而进行的， 主要内容为: 对脑电 信号的成因进行探讨; 对脑电 信号的检测方法 ( 在这里主要包括脑电 信号的 电极安放方法、模拟放大、模拟滤波以 及对于脑电 信号分 析、处理的通用处理 方法) 进行论述:应用小波变换与非线性动力学的理论方法对从 m i t - b i h 数据库中得到的 脑电信号的原始数据进行计 算机仿真处理，即首先运用小波变 换的滤波方法对原始数据进行数字滤波 ( 滤除噪声以 及基线漂移、尖脉冲、 肌 电 等干 扰) ， 然后再运用小波变换的多 分辨率分析和奇异点检测方法来对脑电 信 号的特征节律进行提取， 最后利用非线性动力学的复杂性测度理论根据脑电 信 号的复杂度来表征所处的睡眠状态。 西北工业大学硕士学位论文 1 . 2 . 2研究意义 2 1世纪高度信息化面临着各种脑疾患和神经系统疾患问题的增多和严重 化，以 及社会老龄 化问题，这些使得脑科学 成为2 1 世纪挑战性的研究。 脑和神 经系统的 疾患是现代社会占比重越来越大的健康问 题， 在中国这样一个人口 不 断老龄化的社会中更是迫切希望能得到 解决或控制。 提高早期诊断的效率， 及 时予以控制和治 疗是降低脑疾病对人类危害的最有效的 途径之一。脑电 检测的 研究为多种脑疾患的诊断和治疗 ( 如癫痈、睡眠障碍等)以及在康复工程的应 用提供了可能和希望，不仅如此还对人类对大脑机能的 进一步探索、了 解和认 知提供了有力的工具。 在临 床医学中， 对睡眠医学来讲包括两个方面9 , 指睡眠本身 发生失 调的 疾病，如失眠和白日 过度磕睡;指在睡眠过程中诱发或发生的疾病，如憋气 引起打熟的睡眠呼吸障碍，心肌供血不足，头痛、遗尿和癫痛以及睡眠期的各 种异常如梦游、睡惊症等。 睡眠占人生 1 / 3时间， 但人们至今对睡眠的基础知识 如睡眠的发生和功能等仍知之甚少， 而各 种睡眠疾病却日益 增多， 危害日 益明 显。 近年来因睡眠不足导致学习、 工作效率和生产的下降以 及意外伤害事故等， 其经济损失难以 估计。 因此自7 0 年代中期以来， 睡眠疾病己日 益引起欧美等发 达国 家医学界的重视， 各国 纷纷建起了睡眠研究机构。 这样就使得睡眠医学成 为发展迅猛的新兴的综合性科 学; 不仅如此 6 1 ， 对于脑功能障碍等疾病的诊断也 有极其重要的意义。因为当 大脑功能发生障 碍时脑电 信号 亦可 产生各种变化。 通常情况下当 大脑功能衰退时脑电 信号频率 减慢， 脑损害 越重，其 频率越慢、 波幅越低;当大脑功能亢进时，快波增多，波幅增高;当大脑功能异常并伴有 异常放电时可出 现棘波、 尖波、棘尖慢波综合和高幅失 律等。 分析这些变化， 有助于脑功能状况的判断及脑部疾病的诊断。如在癫痛的诊断上，由于癫痈是 大脑神经元过度放电所致的发作性神经功能 障碍为主 要表现的一种疾病。 过度 放电在脑电图上表现为棘波、尖波、棘 ( 尖)慢波综合和其它发作性节律波等。 在癫痈发作期间多伴有发作波出 现， 称发作期脑波 ( i c t a l e e g ) ，在发作间歇 期 也可记录到发作波，称发作间期脑波 ( i n t e r i c t a l e e g) 。发作波的检出是诊断癫 痛的重要客观指标，也有助于癫痛病灶定位和原发性与继发性癫痈的鉴别。此 外，脑电图检 查对癫痈的分型、抗癫痈药的选择等均有较大价值。 西北 l . 业大学硕十学位论文 对康复工程中的应用而言 h ll 8 1 , 通常 大脑要依 赖人体的外周神经系统及肌肉 组织， 实现通讯与设备控制，比 如通过操作键盘或鼠 标使用计 算机。 脑一机接 口 ( b r a in c o m p u t e r i n te r fa c e , b c i ) 或 脑一 计 算机 接口 是 一种 人 机 接口 方 式 ， 它是基于脑电 信号实现人脑与计算机或其它电 子设备通讯和控制的系统。 b c i 不依赖于脑的正常输出通路 ( 外周神经系统及肌肉组织 ) ，是一种全新的通讯和 控制方式。 基于b c i 的设备的一个重要用 途是为 一思维正常 但有运动障碍的 人 如 肌萎缩性 ( 脊髓) 侧索硬化患者、严重脊髓损伤或完全瘫痪的 人)提供与外 部 环境 进 行 交 流和 控 制的 途 径。 b c i 还 可为 人 们 提 供 无需 体 力 操 作的 新 的 人 机 交 互通讯方式，适合于特殊环境下。当不便采用传统控制方式时， 用脑电 信号来 控制外部设备。 1 . 3主要工作与章节安排 本文的主要工作包括如下几个部分:利用小 波变换的闽值法滤除脑电 信 号中的白噪声; 用小波分解与 重构法滤除基线漂移干扰;用模极大值法滤 除尖脉冲干扰; 用小波分解与重构法和模极大法滤除肌电干扰; 利用小波 的多分辨率分析给出基本特征节律提取的方法，并用奇异点检测的模极大值法 来 提 取 棘 波; 给出 了 利 用 四 值 法 粗 粒 化并 结 合时 窗 l e m p e l - 2 iv复 杂 性 测 度 方法来对睡眠脑电 信号进行分期处理。 论文的第一章为绪论，主要介绍本文的主要工作和意义;第二章对脑电信 号产生的机理，生物医学检测原理、方法，做了较为详细的阐述;第三章针对 国内、外对脑电信 号的分析、处理方法进行讨论 ( 其中主要是从脑电信号的滤 波、波形检测和处理这三个方面来进行的) ;第四章中给出了基于小波变换方法 的脑电信号的滤波以及特征节律信号的提取:第五章用非线性动力学的复杂度 算法对睡眠脑电信号进行分期;第六章给出总结以及展望。 西北 l . 业大学硕十学位论文 对康复工程中的应用而言 h ll 8 1 , 通常 大脑要依 赖人体的外周神经系统及肌肉 组织， 实现通讯与设备控制，比 如通过操作键盘或鼠 标使用计 算机。 脑一机接 口 ( b r a in c o m p u t e r i n te r fa c e , b c i ) 或 脑一 计 算机 接口 是 一种 人 机 接口 方 式 ， 它是基于脑电 信号实现人脑与计算机或其它电 子设备通讯和控制的系统。 b c i 不依赖于脑的正常输出通路 ( 外周神经系统及肌肉组织 ) ，是一种全新的通讯和 控制方式。 基于b c i 的设备的一个重要用 途是为 一思维正常 但有运动障碍的 人 如 肌萎缩性 ( 脊髓) 侧索硬化患者、严重脊髓损伤或完全瘫痪的 人)提供与外 部 环境 进 行 交 流和 控 制的 途 径。 b c i 还 可为 人 们 提 供 无需 体 力 操 作的 新 的 人 机 交 互通讯方式，适合于特殊环境下。当不便采用传统控制方式时， 用脑电 信号来 控制外部设备。 1 . 3主要工作与章节安排 本文的主要工作包括如下几个部分:利用小 波变换的闽值法滤除脑电 信 号中的白噪声; 用小波分解与 重构法滤除基线漂移干扰;用模极大值法滤 除尖脉冲干扰; 用小波分解与重构法和模极大法滤除肌电干扰; 利用小波 的多分辨率分析给出基本特征节律提取的方法，并用奇异点检测的模极大值法 来 提 取 棘 波; 给出 了 利 用 四 值 法 粗 粒 化并 结 合时 窗 l e m p e l - 2 iv复 杂 性 测 度 方法来对睡眠脑电 信号进行分期处理。 论文的第一章为绪论，主要介绍本文的主要工作和意义;第二章对脑电信 号产生的机理，生物医学检测原理、方法，做了较为详细的阐述;第三章针对 国内、外对脑电信 号的分析、处理方法进行讨论 ( 其中主要是从脑电信号的滤 波、波形检测和处理这三个方面来进行的) ;第四章中给出了基于小波变换方法 的脑电信号的滤波以及特征节律信号的提取:第五章用非线性动力学的复杂度 算法对睡眠脑电信号进行分期;第六章给出总结以及展望。 西北 业大学硕十学位论文 第 2 章 脑电信号的检测 本章中 首先介绍了医学信号的 特点，接着对脑电的形成机理进行讨论， 并 给出了脑电信号的检测原理与方法 ( 包括电极的选取、安放，脑电信号的放大、 模拟滤波等) 。 2 . 1医学信号的特点 一般地说，在处理信号时，首先需要了解处理对象的性质，以便于选择适 当的处理方法。因此，我们首先讨论生物医学信号的特点。 生物医学信号来源于生物体，其种类繁多，如心电、脑电、肌电、神经动 作电位等生物电信号和体温、血压、呼吸等的温度、压力、流量等非电量信号， 而且产生机理相当复杂。但它们仍存在以 下性质 1 3 1 . 1 . 随机性:生物体是一个庞大而复杂的系统， 按生理功能 可分为 许多 基本 系统， 如循环系统、 神经系统等。 这些基本系统的生理活动相互影响、 相互渗 透地交织在一起， 而其中存在的 联系、制约关系及活动规律还没有完全被我们 清楚地认识。因而生物医学信号表现出明显的随机性，一般不能用数学函 数来 准确表达，它们的规律主要从大量的统计结果中反映出来。 2 . 信噪比低:在维持正常生理活动的条件下，生物体的各个基本系统之间 存在着有机的联系， 因而在生物医学信号中存在着严重的背景噪声，例如心电 生理信号中经常混杂着肌电干扰等，而且噪声常常超过信号，噪声的性质多种 多样，可能是加性的 即观测信号等于信号与噪声之和 ) ，可能是乘性的 ( 即观 测信号等于信号与噪声之积) ，也可能有用的信号仅与信号的一部分有关，而与 有用信息非相关的部分被看成是噪声。 3 . 微弱: 人体生 理参数的强度一般都很微弱，如电 压信号大 都在微、 毫伏 量级。 4 .频率低:各种生理参数，如心电、脑电、肌电等生物电信号，体温、血 压、呼吸、心音等非电信j 等，都是低频率的慢变信s ， 通常颊率范i fi ! 在音频 段，如脑电信号频率范围为0 . 5 - 7 0 h z ,血压的频率范围为0 - 6 0 h z 西北 i : 业大学硕十学位论文 2 . 2脑电信号的形成机理及性质 2 . 2 . 1脑电产生的机理 大 脑皮层的神经细胞按其形态可分为锥体细胞、 星形细胞和梭形细胞三种。 后两种细胞或因部位太深、或因方向错乱，均不能形成有效的电场，对脑电的 产生意义不大。只有锥体细胞， 尤其是大锥体细胞，其顶树突垂直伸到皮层表 面，它们的电活动如果同时发生，就有可能在一定区域内总和起来，而被头皮 电极记录下来 1 1 2 1 已有的实验证明，皮层表面的缓慢电活动来 自皮层锥体细胞的胞体和较大 树突所产生的 兴奋性或抑制性突 触后电位 3 1 丘脑非特异性核所发出的纤维广泛投射到大脑皮层各区， 用电刺激丘脑的 非特异性核， 可在皮层上广泛发生节律性电活动，好像脑电图中的梭形。节律， 应用微电极记录。在梭形节律发生时，可见到丘脑的非特异性核细胞和皮层锥 体细胞内部发生周期变化的兴奋性和抑制性突触后电位。由此推测丘脑的非特 异性核可能是脑电的起步点。 通常。节律在闭眼安静时可在头皮电极上记录下来，在睁眼注意时，则被 低波幅快活动所代替，这种现象称为脑电图的极化。这是由于感觉传入纤维旁 支的冲动进入脑千网状结构， 扰乱丘脑起步点结构的同步化， 使脑电图上的节 律性活动消失，从而出 现去同步化的快活动。如。 波阻断，而出现夕波就是一 种去同步化。这是由于神经元电活动不大一 致而表现出来的一种高频率低振幅 波形，称之为去同步化。 头皮电位产生的机理一般认为是，安静时， 锥体细胞的顶树突胞体轴 心的 整个细胞膜处于极化状态;当一个冲动传入细胞一 端时，则引 起该端除极 化， 这时细胞两端之间的电位差可产生一个双极电场系统，电流自一 端流向另 一端。例如当顶树突端因发生兴奋性突触后电位而除极化时，电流 自 胞体端流 向顶树突端。山 于细胞内和细胞外 液体都含有电 解质， 故电 流也 在细胞外通过。 若有一个电极放在距离电场较远的地方，则前者相对后者而 言为负极性。按照 常规的 导联方式， 这个导 程的记 录笔向基线上方移动，而当 细胞体端因发生兴 奋性突触后电位而除极化时，则电流 自顶树突端流向胞体端。放在接近顶树突 西北 i : 业大学硕十学位论文 2 . 2脑电信号的形成机理及性质 2 . 2 . 1脑电产生的机理 大 脑皮层的神经细胞按其形态可分为锥体细胞、 星形细胞和梭形细胞三种。 后两种细胞或因部位太深、或因方向错乱，均不能形成有效的电场，对脑电的 产生意义不大。只有锥体细胞， 尤其是大锥体细胞，其顶树突垂直伸到皮层表 面，它们的电活动如果同时发生，就有可能在一定区域内总和起来，而被头皮 电极记录下来 1 1 2 1 已有的实验证明，皮层表面的缓慢电活动来 自皮层锥体细胞的胞体和较大 树突所产生的 兴奋性或抑制性突 触后电位 3 1 丘脑非特异性核所发出的纤维广泛投射到大脑皮层各区， 用电刺激丘脑的 非特异性核， 可在皮层上广泛发生节律性电活动，好像脑电图中的梭形。节律， 应用微电极记录。在梭形节律发生时，可见到丘脑的非特异性核细胞和皮层锥 体细胞内部发生周期变化的兴奋性和抑制性突触后电位。由此推测丘脑的非特 异性核可能是脑电的起步点。 通常。节律在闭眼安静时可在头皮电极上记录下来，在睁眼注意时，则被 低波幅快活动所代替，这种现象称为脑电图的极化。这是由于感觉传入纤维旁 支的冲动进入脑千网状结构， 扰乱丘脑起步点结构的同步化， 使脑电图上的节 律性活动消失，从而出 现去同步化的快活动。如。 波阻断，而出现夕波就是一 种去同步化。这是由于神经元电活动不大一 致而表现出来的一种高频率低振幅 波形，称之为去同步化。 头皮电位产生的机理一般认为是，安静时， 锥体细胞的顶树突胞体轴 心的 整个细胞膜处于极化状态;当一个冲动传入细胞一 端时，则引 起该端除极 化， 这时细胞两端之间的电位差可产生一个双极电场系统，电流自一 端流向另 一端。例如当顶树突端因发生兴奋性突触后电位而除极化时，电流 自 胞体端流 向顶树突端。山 于细胞内和细胞外 液体都含有电 解质， 故电 流也 在细胞外通过。 若有一个电极放在距离电场较远的地方，则前者相对后者而 言为负极性。按照 常规的 导联方式， 这个导 程的记 录笔向基线上方移动，而当 细胞体端因发生兴 奋性突触后电位而除极化时，则电流 自顶树突端流向胞体端。放在接近顶树突 两北 业大学硕十学位论文 头皮区的电极带正电，记录笔向基线下方移动。 实际上单个细胞的电活动不能影响头皮电极电位的变化，头皮上脑电图的 电位变化是有许多这样的双极电场总和的结果。 脑电波主要是由 大脑皮层的神经细胞的突触后电 位的变化所形成。 单个神 经元的突触后电位的变化是不足以引起皮层表面的明显而易见的电位改变，只 有大量的神经元同时发生突触后电位变化，并且同步起来，才 能引起皮质表面 出现电 位变化 1 o u 根据实验结果，脑电波的节律不是皮质本身形成的，也就是说它不是大脑 皮质细胞本身的内在的节律活动，而是在丘脑内形成，然后从丘脑传递到大脑 皮质的 3 2 . 2 . 2脑电 信号的性质和分类 人类的大脑与身体其它部位如心脏、肌 肉等一样，能产生生物电流。通过 在头皮上安放电极描记的脑生物电活动谓之脑电图。通常所能描记到的人的脑 电图一般类似于正弦波，故可将其用周期、振幅和相位等参数进行描述。周期、 振幅和相位是脑电图的 基本特征。 脑电图 的一般性质如下 3 5 1 2 . 1 .周期: 脑电图的周期是指由一个波谷到下一个波谷的时间间距或由一个波峰到下 一个波峰的时间间距在基线上的投影， 通常把单位时间内出现的正弦波波数( 频 率)的倒数称为平均周期，人的脑电频带一般在 0 .5 -7 0 h z 范围内，而且在 1 3 0 h z 内特别重要 1 3 2 .振幅: 在脑电图中通常从波峰划一 直线使其垂直于基线，由 这条直线与前 后两个 波谷连线的交点到波峰的距离称为脑电图的平均振幅。 3 ，相位: 在脑电图中，相位亦称位相， 它有正相和负相之分。习惯上以基线为标 准， 把朝上的 波称为负相波， 朝下的波称为正相波， 此时波的位相亦称为波的极 性。 此外，在同时记录两个不同部位的脑电波时，其相位差亦是一个重要的参数， 如图2 -1 所示。当 两个 波的 相位相差1 8 0 度时 称为相位倒转， 如果 其相位相差 为零，则称为同相。其相位差一般不用度数表示，而把其转换成时阳 1 车 由 距离， 两北 业大学硕十学位论文 头皮区的电极带正电，记录笔向基线下方移动。 实际上单个细胞的电活动不能影响头皮电极电位的变化，头皮上脑电图的 电位变化是有许多这样的双极电场总和的结果。 脑电波主要是由 大脑皮层的神经细胞的突触后电 位的变化所形成。 单个神 经元的突触后电位的变化是不足以引起皮层表面的明显而易见的电位改变，只 有大量的神经元同时发生突触后电位变化，并且同步起来，才 能引起皮质表面 出现电 位变化 1 o u 根据实验结果，脑电波的节律不是皮质本身形成的，也就是说它不是大脑 皮质细胞本身的内在的节律活动，而是在丘脑内形成，然后从丘脑传递到大脑 皮质的 3 2 . 2 . 2脑电 信号的性质和分类 人类的大脑与身体其它部位如心脏、肌 肉等一样，能产生生物电流。通过 在头皮上安放电极描记的脑生物电活动谓之脑电图。通常所能描记到的人的脑 电图一般类似于正弦波，故可将其用周期、振幅和相位等参数进行描述。周期、 振幅和相位是脑电图的 基本特征。 脑电图 的一般性质如下 3 5 1 2 . 1 .周期: 脑电图的周期是指由一个波谷到下一个波谷的时间间距或由一个波峰到下 一个波峰的时间间距在基线上的投影， 通常把单位时间内出现的正弦波波数( 频 率)的倒数称为平均周期，人的脑电频带一般在 0 .5 -7 0 h z 范围内，而且在 1 3 0 h z 内特别重要 1 3 2 .振幅: 在脑电图中通常从波峰划一 直线使其垂直于基线，由 这条直线与前 后两个 波谷连线的交点到波峰的距离称为脑电图的平均振幅。 3 ，相位: 在脑电图中，相位亦称位相， 它有正相和负相之分。习惯上以基线为标 准， 把朝上的 波称为负相波， 朝下的波称为正相波， 此时波的位相亦称为波的极 性。 此外，在同时记录两个不同部位的脑电波时，其相位差亦是一个重要的参数， 如图2 -1 所示。当 两个 波的 相位相差1 8 0 度时 称为相位倒转， 如果 其相位相差 为零，则称为同相。其相位差一般不用度数表示，而把其转换成时阳 1 车 由 距离， 西北 _ 业大学硕十学位论文 以m s 为单位。 1 80 (a)(b)(c) 图2 -1脑电图的相位差 在头部不同 部位 所检测的脑电图， 他们的波形和频率基本相似。 在不同 的 条件下 ( 如激动、困倦、睡眠等) ，脑电图波形和频率则有明显的差别。 脑 电图 波形主要根据其频率不同 来划分:通常频率 慢的波，其幅度较大， 而频率快的 波则幅度较小。脑电 图的基本波形，按其频率不同可 划分为四种基本类型。如 图2 一2 所示。 _ .盛 匕同 卜帕 阳尔叫 翻卜 叫喇卜i。 二 v 心 双 记阅尸， 翻， -兮朴 f !， 一 ， ， . ，一 .， ，一 。 bt m f* w 4 w a w . 4 b r - 一一 确 内 相 网 工 ， “ 吕 波 1w t1. v e彼 i.-,o 二 v a艘 i ,ww v l. j : s 图2 -2脑电图的四种基本波形 。波:频率为每秒8- 1 3 次，幅度为2 0 - 1 0 0 u v a。 波在枕部和顶枕部最 为显著， 其波形近似正弦波。正常人在清醒、 安静、闭目时，。 波即可出现， 其幅值呈现由小变大， 然后由大变小，如此反复进行的周期性改变，形 成a波 的 “ 梭形” 。每一a波梭形持续时间约 1 - v 2秒。当被试者睁眼或接受其它激动 性刺激时 ( 如进行心算) ，则a波立即消失并转变为快波，称为 “ a波阻断” 。 因此一般认为，a波是大脑皮层处于清醒安静状态时电活动的上要表现。 刀波:频率为每秒 1 4 -3 0 次，幅度为5 - - 2 如vo刀波在额叶与顶 叶比较 西北 仁 业大学硕士学位论文 明 显。当被试者睁眼视物、 进行思考活动时，6 波即可出 现。有时6波与a 波 同 时在一个部位出 现，6 波重叠在a 波之上。一般认为，6 波是大脑皮层处于 紧张激动状态时电活动的主要表现。 e 波: 频率为每秒4 -7 次， 幅度为2 0 -1 5 0 ,u v o 0 波在枕叶和顶叶也比 较 明 显， 在成人困倦时可以出 现。 在幼儿时期， 一般常见到口 波， 到十岁后才出现 明显的。波。 b 波: 频率为每秒0 . 5 -3 次， 幅度为2 0 2 0 0 u v。 正常成人在清醒状态下， 几乎是没有b 波的， 但在睡眠期间可出现b 波。 一般认为， 高幅度的慢波 ( b 波 或6 波)可能是大脑皮层处于抑制状态时电活动的主要表现。 脑电 信号是指对脑内电 活动的记录。 人体在睡眠、兴奋或者接受外界 信号 刺激等不同状态下，脑电 信号会表现出不同的 模式。因此， 对脑电 信号的分析 是科学家研究脑功能的一个重要途径。 基于脑电信号的脑一机接口是近年来一个热门的研究领域，它的目的是试 图利用脑电信号来帮助人们实现与外界环境的交流，在人脑与计算机或其它电 子设备之间建立直接的交流和控制通道。 通过这种通道，人们就可以直接通过 大脑来操纵设备或表达想法，而不再需要通过语言或肢体的动作。 2 . 3脑电信号的检测原理 2 . 3 . 1检测系统概述 对于脑电信号， 作为信号的一 种其检测方法具有普 遍性。但作为微弱的医 学生理信号的一种， 它具有医学信号的特点。 由于 脑电信号非常微弱， 只有, u v 级， 且频率带为0 . 5 - 7 0 h z ， 所以 对于其的硬件设计要求有高的 增益， 很强的 抗 干扰能力，刁 能使输出信号易于观察、分析和处理。在硬件上主要采用模拟电 子技术中的前置放大、滤波、干扰抑制电路以及主放大对脑电信号进行放大、 滤波、 再放大和采集，并将采集得到的信号 输入给计 算机，以便于后续用软件 来进一步对脑电信号进行分析和处理。由于脑电信号常常夹杂着很强的噪声或 干扰，如果对其只进行一次放大就会造成放大器的饱和从而无法达到把信5不 西北 仁 业大学硕士学位论文 明 显。当被试者睁眼视物、 进行思考活动时，6 波即可出 现。有时6波与a 波 同 时在一个部位出 现，6 波重叠在a 波之上。一般认为，6 波是大脑皮层处于 紧张激动状态时电活动的主要表现。 e 波: 频率为每秒4 -7 次， 幅度为2 0 -1 5 0 ,u v o 0 波在枕叶和顶叶也比 较 明 显， 在成人困倦时可以出 现。 在幼儿时期， 一般常见到口 波， 到十岁后才出现 明显的。波。 b 波: 频率为每秒0 . 5 -3 次， 幅度为2 0 2 0 0 u v。 正常成人在清醒状态下， 几乎是没有b 波的， 但在睡眠期间可出现b 波。 一般认为， 高幅度的慢波 ( b 波 或6 波)可能是大脑皮层处于抑制状态时电活动的主要表现。 脑电 信号是指对脑内电 活动的记录。 人体在睡眠、兴奋或者接受外界 信号 刺激等不同状态下，脑电 信号会表现出不同的 模式。因此， 对脑电 信号的分析 是科学家研究脑功能的一个重要途径。 基于脑电信号的脑一机接口是近年来一个热门的研究领域，它的目的是试 图利用脑电信号来帮助人们实现与外界环境的交流，在人脑与计算机或其它电 子设备之间建立直接的交流和控制通道。 通过这种通道，人们就可以直接通过 大脑来操纵设备或表达想法，而不再需要通过语言或肢体的动作。 2 . 3脑电信号的检测原理 2 . 3 . 1检测系统概述 对于脑电信号， 作为信号的一 种其检测方法具有普 遍性。但作为微弱的医 学生理信号的一种， 它具有医学信号的特点。 由于 脑电信号非常微弱， 只有, u v 级， 且频率带为0 . 5 - 7 0 h z ， 所以 对于其的硬件设计要求有高的