小波熵癫痫信号PPT

1、 癫痫俗称的“羊角风”，是大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病。在临床上表现为突然、短暂的运动、感觉、意识、行为、自主神经或精神状况异常。癫痫病做为一种慢性疾病，虽然短期内对患者没有多大的影响，但是长期频繁的发作可对患者的身心、智力产生严重影响。一一 . 癫癫 痫痫 的的 危危 害害二二 . 脑脑 电电 信信 号号 大脑是一个复杂的系统，脑科学的研究是目前世界上研究的重点与难点之一。目前有效可行的方法是利用脑电信号对大脑进行相关研究。脑电是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层和头皮表面表现出的电位变化，是一种复杂的非平稳随机信号，具有信号微弱，个体差异大等特点，所以如何有

2、效地提取其中的有用信息是脑科学研究的棘手问题。近年来随着计算机技术、信号处理技术的快速发展，时频分析、非线性分析，人工神经网络等现代方法陆续运用在脑电信号分析上面。通过上述方法提取脑电信号的特征，可为某些大脑疾病提供临床上的诊断依据并进一步给予有效地治疗，具有重要的临床应用价值。常见脑电信号分析方法三三 .小小 波波 理理 论论 顾名思义，“小波”就是小的波形。所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性。它区别于传统的应用与频域分析的傅里叶分析。在传统的傅里叶分析中，信号完全是在频域展开的，不包含任何时域信息，这对于某些应用来说是很恰当的，因为信号的频率信息对其是非常重要的，但

3、其丢弃的时域信息可能对某些应用同样非常重要。而小波分析则克服了这一缺陷。 熵（entropy）指的是体系的混乱的程度，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。小波熵是信号能量在子空间分布无序程度的一种度量。四：实四：实 验验 过过 程程 本实验引用的两组EEG数据是分别从100位癫痫患者与正常人的大脑中提取出来的脑电信号，这些脑电信号的采样频率范围为0173Hz，提取其中060Hz频段的频率。根据小波包分解层数的选择原理，对EEG信号进行小波包四层分解。 实验中的电极放置位置采用国际10/20系统标准，见下

4、图所示脑脑 电电 信信 号号小小 波波 分分 解解小小 波波 熵熵 计计 算算方方 差差 分分 析析画画 图，比图，比 较较实实 验验 基基 本本 流流 程程 图图S4,15S4,14S4,13S4,12S4,11S4,10S4,9S4,8S4,7S4,6S4,5S4,4S4,3S4,2S4,1S4,0S3，0S3，1S3，2S3，3S3，4S3，5S3，6S3，7S2，0S2，1S2，2S2，3S1，0S1，1S4 4层小波分解示意图层小波分解示意图01002003004005006007008009001000-200002000010020030040050060070080090010

5、00-200020001002003004005006007008009001000-10000100001002003004005006007008009001000-20000200001002003004005006007008009001000-10000100001002003004005006007008009001000-10000100001002003004005006007008009001000-200020001002003004005006007008009001000-50501002003004005006007008009001000-2002001002003

6、004005006007008009001000-5005001002003004005006007008009001000-100010001002003004005006007008009001000-2000200原始信号原始信号d1（）层层d2（）层层d3（）层层d4（）层层a4（）层层原始信号原始信号d1（）层层d2（）层层d3（）层层d4（）层层a4（）层层癫痫患者脑电信号多分辨率分析结果健康受测者脑电信号多分辨率分析结果小波熵分析与方差分析小波熵分析与方差分析1. 为了试验数据的可比性，我们选择对癫痫患者在健康状态下为了试验数据的可比性，我们选择对癫痫患者在健康状态下和发病期间的

7、脑电信号进行提取，计算出每个导联电极处脑电和发病期间的脑电信号进行提取，计算出每个导联电极处脑电信号的小波熵及其平均值并画出小波熵平均值的柱状图进行分信号的小波熵及其平均值并画出小波熵平均值的柱状图进行分析比较。析比较。2. 分别在分别在5个不同节律中选择若干个频率采样点，计算在此频个不同节律中选择若干个频率采样点，计算在此频率下的小波熵值，将其在坐标图中标注出来，这些小波熵值是率下的小波熵值，将其在坐标图中标注出来，这些小波熵值是分布在平均值附近的。通过比较，同样可以得出癫痫患者与正分布在平均值附近的。通过比较，同样可以得出癫痫患者与正常人脑电信号的差异。常人脑电信号的差异。3. 计算癫痫患

8、者和正常人脑电信号计算癫痫患者和正常人脑电信号EEG小波熵的方差，并画出小波熵的方差，并画出箱形图箱形图与与方差分析表进行比较方差分析表进行比较，然后分析癫痫患者和正常人的然后分析癫痫患者和正常人的脑电信号的区别脑电信号的区别。 FP1FP2 F7 F3 FZ F4 F8 T3 C3 CZ C4 T4 T5 P3 PZ P4 T6 O1 O2 00.511.5健康EEG发作间隙 FP1FP2 F7F3FZF4F8T3C3 CZ C4T4T5 P3PZ P4T6O1 O2 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5健康EEG发作间隙 FP1FP2 F7F3FZF4F

9、8T3 C3 CZ C4T4T5P3PZ P4T6O1 O2 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5健康EEG发作间隙 FP1FP2 F7F3FZ F4F8T3C3 CZ C4T4T5P3 PZ P4T6O1 O2 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5健康EEG发作间隙原始频带原始频带节律节律节律节律节律节律 FP1FP2 F7F3FZF4F8T3C3 CZ C4T4T5P3PZ P4T6O1 O2 00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5健康EEG发作间隙 FP1FP2 F7F3FZ F4F

10、8T3 C3 CZ C4 T4T5 P3PZ P4T6 O1 O2 00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1健康EEG发作间隙节律节律节律节律 从上述六幅图中可以看出，癫痫患者在健康状态下和发病期间的从上述六幅图中可以看出，癫痫患者在健康状态下和发病期间的EEG小波熵是有明显差异的。无论是在原始频带（小波熵是有明显差异的。无论是在原始频带（060Hz）还是实验中重构的）还是实验中重构的5个频带中，无论是在哪个导联电极上，患者在发病期间的个频带中，无论是在哪个导联电极上，患者在发病期间的EEG小波熵小波熵一般一般都要比健康状态下的都要比健康状态下的EEG小

11、波熵大。这也对应了生物学上对癫痫病症的研究小波熵大。这也对应了生物学上对癫痫病症的研究结果：癫痫患者在发病期间，大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大结果：癫痫患者在发病期间，大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍，此时大脑内的脑电信号处于极度混乱的状态，而体系的混乱脑功能障碍，此时大脑内的脑电信号处于极度混乱的状态，而体系的混乱程度正好是由熵来反应了，所以患者在癫痫发病期间的程度正好是由熵来反应了，所以患者在癫痫发病期间的EEG小波熵一定比健小波熵一定比健康状态下的大。康状态下的大。01020304050607080901000.050.10.150.20.250.30.350.4

12、正 常 人平 均 值癫 痫 患 者平 均 值01020304050607080901000.180.20.220.240.260.280.30.320.340.360.38正 常 人平 均 值癫 痫 患 者平 均 值01020304050607080901000.050.10.150.20.250.30.350.4正 常 人平 均 值癫 痫 患 者平 均 值010203040506070809010000.050.10.150.20.250.30.35正 常 人平 均 值癫 痫 患 者平 均 值节律节律节律节律01020304050607080901000.030.0350.040.0450.

13、050.0550.060.0650.070.0750.08正 常 人平 均 值癫 痫 患 者平 均 值节律 从图中我们可以看出癫痫患者脑电信号的小波熵平均值始终是从图中我们可以看出癫痫患者脑电信号的小波熵平均值始终是高于正常人的脑电信号小波熵平均值，并且对癫痫患者脑电信号采高于正常人的脑电信号小波熵平均值，并且对癫痫患者脑电信号采样点处的小波熵值在平均值周围的分布较正常人来说更加分散，更样点处的小波熵值在平均值周围的分布较正常人来说更加分散，更加混乱。这也正说明了癫痫患者的脑电信号较正常人的脑电信号更加混乱。这也正说明了癫痫患者的脑电信号较正常人的脑电信号更加复杂无序，杂乱无章。加复杂无序，杂

14、乱无章。120.50.60.70.80.911.11.21.3ValuesColumn Number120.10.150.20.250.30.35ValuesColumn Number120.180.20.220.240.260.280.30.320.340.36ValuesColumn Number120.10.150.20.250.30.35ValuesColumn Number原始频带节律节律节律120.050.10.150.20.250.3ValuesColumn Number120.0350.040.0450.050.055ValuesColumn Number节律节律 从六幅箱形图

15、中可以看出癫痫患者的脑电信号小波熵的最大、最小值，平均值基本上都大于正常人脑电信号小波熵的最大、最小值，平均值。这也从另一方面证明了癫痫患者脑电信号的混乱程度要大于健康人。根据箱型图可以画出脑电信号小波熵的方差分析表。 参数参数节律节律方差方差均方差均方差均方差比值均方差比值自由度自由度P值值节律节律0.621660.62166242.710节律节律0.058290.0582938.6812.90594e-9节律节律0.747970.74797353.410节律节律0.144780.1447871.5515.88418e-15节律节律0.000011.48235e-50.610.4384 通过方差分析表中的P值，可以看出癫痫患者与正常人的脑电信号的差异：当P 0.05表示有差别， P0.001表示有显著差别。实 验 结 论 本实验通过三种不同的数学特性（既：原始值、平均值、方差），应用小波分析的方法，通过熵来反映了癫痫患者和正常人脑电信号的差异。通过实验，我们可以得出以下结论： （1）癫痫患者在发病期间脑电信号的小波熵大于健康状态下小波熵。这与生理学上所说的癫痫发作是由于大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍，大脑内的脑电信号处于极度混乱的状态这一解释是相吻合的。 （2）在