本發(fā)明涉及一種腦電信號分析方法。特別是涉及一種腦電信號多尺度定量分析方法。

背景技術(shù)：

腦電圖是大腦特定部位神經(jīng)細胞群在生理過程中自發(fā)或誘發(fā)的電活動在頭皮表面或顱內(nèi)特定部位引起的電位信號，它反映了大腦生物電的節(jié)律性活動規(guī)律。腦電信號是一種高度復雜的非線性信號，目前臨床工作中仍依靠醫(yī)生對視覺腦電圖的經(jīng)驗性判斷，所以對于腦電圖的分析基本停留于視覺判斷、經(jīng)驗性的感性認識，幾乎處于定性階段，帶有明顯的主觀經(jīng)驗依賴性，缺乏客觀的定量指標。應用新的物理概念、新的數(shù)字信號分析方法對腦電信號進行定量分析，提取有助于臨床診斷和發(fā)病機理研究的新的參數(shù)的方法具有重要的意義。

子波分析是一種自適應的信號分析方法，被稱為“數(shù)字顯微鏡”。子波分析應用于腦電信號的分析具有獨特的優(yōu)勢，可以精確觀察不同頻率(尺度)腦電信號的細節(jié)特征及隨時間的演變規(guī)律。通過比較不同生理病理狀態(tài)下腦電信號的多尺度定量特征參數(shù)，提取有助于疾病診斷和分型的電生理參數(shù)。

子波分析(wavelet analysis)是近幾年新發(fā)展起來的一種數(shù)學方法，通過信號與一個被稱為子波的解析函數(shù)進行卷積，將含有多尺度成分的復雜信號進行分解。其中子波基函數(shù)是由一個子波母函數(shù)經(jīng)過平移和伸縮變換而得到的一族外形相似但尺度不同的局部波動函數(shù)。子波函數(shù)在物理空間(時間、空間)代表局部確定位置和有限尺度范圍內(nèi)的具有特定物理過程或形狀的“事件”或者“擾動小波”。子波變換就是將含有多尺度成分的復雜信號與一定位置一定尺度下代表特定的物理過程或形狀的子波基函數(shù)進行局部互相關分析，如果其相關性高，表明該信號在該處含有該子波成分，使得信號在該處于該子波具有較好的相似性。利用子波變換可以將含有多尺度成分的復雜信號中的不同成分分解為多種單一尺度的成分，每一種單一尺度的成分在物理空間(時間、空間)局部確定位置和有限尺度范圍內(nèi)具有特定物理過程或形狀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠使EEG技術(shù)在臨床診斷和基礎研究中發(fā)揮更大作用的腦電信號多尺度定量分析方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種腦電信號多尺度定量分析方法，包括如下步驟：

1)采用多導數(shù)字腦電圖儀和16位A/D采集卡，采集不同導聯(lián)的數(shù)字腦電信號，將采集到的原始腦電數(shù)據(jù)存入計算機，并根據(jù)分析內(nèi)容設定采樣頻率和分析數(shù)據(jù)的時間長度；

2)對原始腦電數(shù)據(jù)分析進行連續(xù)子波變換

設一維腦電信號s(t)在子波函數(shù)下的子波分析定義為：

其中，W_s(a,b)為子波系數(shù)，W_ab(t)為子波函數(shù)族，是由子波的母波函數(shù)W(t)經(jīng)過平移b和伸縮變換a而來：

其中a表示時間尺度參數(shù)，b表示時刻參數(shù)；

3)根據(jù)多尺度子波系數(shù),信號的總能量按照尺度進行分解，各尺度信號占有的能量的總和等于信號的總能量。

步驟3)是根據(jù)子波系數(shù)W_s(a,b)，一維腦電信號s(t)的能量進行分解：

其中各尺度子波功率譜密度隨尺度參數(shù)的變化：

其中，C_W為子波母函數(shù)的允許常數(shù)，與每種子波母函數(shù)的傅里葉譜有關。

按照下式計算不同尺度腦電信號功率的百分比，觀察不同頻率腦電信號多尺度功率譜隨尺度即頻率的分布圖：

本發(fā)明的一種腦電信號多尺度定量分析方法，將子波分析應用于定量EEG的分析，具有如下效果：

1，它不需要信號是平穩(wěn)的，可以自動分解和提取信號瞬時變化的局部多尺度特征；

2，可以同時提取信號時域、頻域的信息及瞬時演變過程。

采用本發(fā)明的方法可以將看似復雜無序的腦電信號分解在不同的尺度上，實現(xiàn)腦電信號在每一尺度上的精確表達。從而使EEG技術(shù)在臨床診斷和基礎研究中發(fā)揮更大的作用。

附圖說明

圖1是正常成人視覺腦電圖；

圖2a是正常成人腦電信號子波系數(shù)等值線圖；

圖2b是正常兒童腦電信號子波系數(shù)等值線圖；

圖2c是兒童失神癲癇發(fā)作期腦電信號子波系數(shù)等值線圖；

圖2d是青少年肌陣攣癲癇發(fā)作期腦電信號子波系數(shù)等值線圖；

圖3a是正常成人腦電信號分尺度功率隨頻率的分布圖；

圖3b是正常兒童腦電信號分尺度功率隨頻率的分布圖；

圖3c是兒童失神癲癇腦電信號分尺度功率隨頻率的分布圖；

圖3d是青少年肌陣攣癲癇發(fā)作期腦電信號分尺度功率隨頻率的分布。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種腦電信號多尺度定量分析方法做出詳細說明。

本發(fā)明的一種腦電信號多尺度定量分析方法，包括如下步驟：

1)采用多導數(shù)字腦電圖儀和16位A/D采集卡，采集不同導聯(lián)的數(shù)字腦電信號，將采集到的原始腦電數(shù)據(jù)存入計算機，并根據(jù)分析內(nèi)容設定采樣頻率和分析數(shù)據(jù)的時間長度，原始腦電信號如圖1所示；

2)對原始腦電數(shù)據(jù)分析進行連續(xù)子波變換

設一維腦電信號s(t)在子波函數(shù)下的子波分析定義為：

其中，W_s(a,b)為子波系數(shù)，W_ab(t)為子波函數(shù)族，是由子波的母波函數(shù)W(t)經(jīng)過平移b和伸縮變換a而來：

其中a表示時間尺度參數(shù)，b表示時刻參數(shù)；

例如選擇左頂P3導聯(lián)的腦電信號進行連續(xù)子波變換，顯示如圖2a～圖2d所示，圖中橫軸表示時間，200為1秒；縱軸表示尺度(頻率),第9尺度對應10Hz,第15尺度對應1Hz，第22尺度對應0.1Hz；灰度表示子波系數(shù)的值，此處表示電壓變化的平均速率。

本發(fā)明的方法對正常成人安靜、清醒、閉目狀態(tài)下的腦電信號，采用連續(xù)子波變換進行多尺度分析，圖2a左頂P3導聯(lián)腦電信號子波系數(shù)等值線圖,從圖中可以看出，腦電信號從第5尺度(對應頻率50Hz)到第21尺度(對應頻率0.1Hz)均有較強的顯示，在第8-10尺度(對應頻率中心10Hz)，13-15尺度(對應頻率中心1Hz)，第20-21尺度(對應頻率中心0.1Hz)可見明顯的節(jié)律性活動。而且相鄰的尺度間顯示明顯的關聯(lián)。從視覺腦電圖上看到的α節(jié)律在第8-10尺度可見明顯的節(jié)律性活動。從腦電圖上看到的α節(jié)律的調(diào)幅(waxing and waning)現(xiàn)象以大約1秒為一周期，在13-15尺度(對應頻率中心1Hz)對應的節(jié)律性活動。而第20-21尺度(對應頻率中心0.1Hz)的節(jié)律性活動在視覺腦電圖上無法直接觀察到。圖2b為正常兒童P3導聯(lián)腦電信號的子波系數(shù)等值線圖，從圖可以看出，與成人同一部位電極記錄的腦電信號的子波系數(shù)等值線圖相比，兒童腦電信號的多尺度特征為(1)腦電信號分布的頻率范圍與成年人相似，從第5尺度-第21尺度(50Hz-0.1Hz)均有較強的信號顯示；(2)各尺度子波系數(shù)幅值較成年人高，大約為成年人的1.5-2倍，即某些頻帶(主要13-15尺度范圍)子波系數(shù)的幅值較大，即波形電壓變化較成年人更快；(3)節(jié)律性活動涉及的頻率范圍不固定，隨時間的變化較大；(4)相鄰的尺度間關聯(lián)較差，層級關聯(lián)的“家族”式結(jié)構(gòu)不明顯。圖2c為兒童失神癲癇發(fā)作期腦電信號的子波系數(shù)等值線圖，其特征表現(xiàn)為超強的3Hz的節(jié)律性活動，且與低頻約為0.3Hz的節(jié)律性活動同時存在。圖2d為青少年肌陣攣癲癇發(fā)作期腦電信號的子波系數(shù)等值線圖，其特征表現(xiàn)為4-5Hz超強的3Hz的節(jié)律性活動，且與低頻約為0.4-0.6Hz的節(jié)律性活動同時存在。

3)根據(jù)多尺度子波系數(shù),信號的總能量按照尺度進行分解，各尺度信號占有的能量的總和等于信號的總能量；

具體是根據(jù)子波系數(shù)W_s(a,b)，一維腦電信號s(t)的能量進行分解：

其中各尺度子波功率譜密度隨尺度參數(shù)的變化：

其中，C_W為子波母函數(shù)的允許常數(shù)，與每種子波母函數(shù)的傅里葉譜有關。

按照下式計算不同尺度腦電信號功率的百分比，觀察不同頻率腦電信號多尺度功率譜隨尺度即頻率的分布圖：

分布圖如圖3a～圖3d所示，圖中，橫軸表示頻率，縱軸表示不同頻率腦電信號所占的百分比。

圖3a為正常成人，特征為腦電信號在0.1Hz、1Hz和10Hz呈三個均衡的功率峰。腦電功率在特定的頻帶上均衡的分布形式，對于神經(jīng)網(wǎng)絡之間信息傳遞和聯(lián)系可能具有重要意義。圖3b為隨年齡增長，腦電信號功率譜分布的演變過程，分尺度功率在1Hz附近形成單峰，其多尺度特征隨年齡增長逐漸趨近于成人。圖3c為兒童失神癲癇發(fā)作期腦電信號的分尺度功率主要集中在20尺度(0.12Hz)和12尺度(3Hz)。圖3d為青少年肌陣攣癲癇發(fā)作期腦電信號的分尺度功率主要集中在20尺度0.4-0.6Hz和4-6Hz。

下面給出具體實例：

在采集被測試者數(shù)字腦電信號后，提取腦電信號的原始數(shù)據(jù)，選取合適的子波母函數(shù)，根據(jù)信號采樣頻率f取定最小時間尺度參數(shù)a₁,根據(jù)信號的采樣時間長度T，確定最大時間尺度參數(shù)a_n，及尺度個數(shù)n和尺度放大系數(shù)h，其中采用C語言編制程序，計算腦電信號每一導聯(lián)的多尺度子波系數(shù)W_s(a,b)，繪制子波系數(shù)等值線圖；利用子波系數(shù)的L²測度，計算分尺度功率P(a)所占總功率百分比，繪制相對分尺度功率隨頻率的分布圖。通過比較分析，總結(jié)不同生理病理狀態(tài)下腦電信號的多尺度定量特征。