脑电信号处理软件的设计与开发

脑电信号处理软件的设计与开发 广西师范大学 硕士学位论文脑电信号处理软件的设计与开发 姓名:李福武 申请学 位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:罗晓曙 20080401 脑电信号处理软件 的设计与开发 脑电信号处理软件的设计与开发 研究生 李福武 导师 罗晓曙 教授 专业 电路与系统 研究方向 数字信号处理 年级 2005 级 摘 要 脑电信号蕴含着 非常丰富的大脑活动信息 通过对脑电信号的有效处理和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可以判断不同的脑机 能状态 脑电图检查具有安全无痛 经济方便等特点 已被广泛应用于神经生理科学 研究和临床诊断中 脑电信号分析处理技术在评估人体的精神状态 脑和神经疾病的 诊断与治疗 麻醉深度的监护 睡眠过程和质量的分析等方面 脑电图都扮演着重要 角色 本文应用最新发展起来的电子技术 计算机技术 软件工程技术 图像处理技术 和现代信号处理方法并结合现代神经生理学知识 对脑电信号进行处理分析完成了 以下几个方面的工作一 综述了脑电信号的基础知识 主要包括它的产生机理 数据 采集 分析方法 频带成 分 研究的历史阶段 归纳了研究脑电信号的意义 评述了目 前国内外脑电信号的研 究动态和发展趋势二 认真地进行了大量的项目调研工作和 对脑电信号分析和处理的相关功能进行了整整个系统的分析工作 从实际需求出发 合 完成了脑电信号处理系统的总体设计三 研究了应用 DHT 变换处理分析脑电 波信号 完成脑电信号处理系统的脑电地形图的 设计 以及介绍它在临床诊断上的 应用 完成了脑电压缩谱阵 CSA 数值地形图和 频谱直方图的设计四 负责脑电信 号处理系统整体调试 现场测试工作和对出现的错误进行更正 使之 能够顺利投入 本系统的设计工作已经基本完成 并且进行了大量的实际测试工作 系统使用 目前 的各项功能和性能基本达到了设计的要求 系统模拟运行状况良好关键词 脑电 时 域分析 离散哈特莱 DHT 变换 脑电地形图 压缩谱阵图 III 脑电信号处理软件的 设计与开发 EEG processing software design and developmentMaster Student: LI Fuwu Supervisor: LUO XiaoshuSpecial field:Circuit and System Grade:2005Interests: Digital Signal Processing Abstract A wealth of brain information is provided in EEG signals. Some characteristic parameterscan be extracted for representing different cerebral function states by careful analyses andprocessing. Electroencephalogram EEG has been widely used in neurophysiology researchesand clinical disease diagnosis because it is safe painless economical and convenient. EEGplays an important role in some aspects for example estimating on the human mentalstatements diagnosing and treating brain and neurological diseases monitoring the depth ofanesthesia analyzing sleep quality and stages and so on. We have finish our research work by using the new technologies of electronic computersoftware engineering image processing technologyand modern signal processing. The mainresearch work of this dissertation has four parts as follows: First the basic knowledge on EEG signals is summarized that is generation mechanismdata collection analysis method and contents in frequency band are stated the developmenthistory stages is reviewed the significance of EEG is summed up and in this research field thedevelopment status and trend in recent years at home and abroad are reviewed. Second a lot of work and research projects and systematical work has been carried on. Baseon the demand the correlate function of analysis and treating to the EEG has been integrated thedesign of the EEG processing system has been accomplished. Third the application of Discrete Hartley Transform DHT to analyze brain signals has beenstudied. The design of the topographic map of EEG has finished. The utilizing of it in clinicaldiagnosis was introduced. The design of the compressed spectral array CSA of EEG digitalterrain maps and the spectrum histogram has been completed. Fourth the EEG processing system mainframe software was debugged and the mistakes onthe testing spot were corrected so that it can be successfully put into use. At present the system design has basically finished. A lot of practical tests have been carriedout. The result is that various functions of the system and performance meet the designrequirement and the system is in good condition. IV 脑电信号处理软件的设计与开发Key words: ElectroencephalogramEEG time-frequency analysisdiscrete hartley transformDHT brain electrical activity mappingBEAMcompressed spectral arrayCSA V 论文独创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的成果 除文中已经注明引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外 本论文不含其他个人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律责任 研究生签名 日期 论文使用授权声明 本人完全了解广西师范大学有关保留 使用学位论文的规定 广西师范大学 中国科学技术信息研究所 清华大学论文合作部 有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权广西师范大学学位办办理 研究生签名 日期 导 师签名 日期 脑电信号处理软件的设计与开发 第一章 绪 论1.1 课题来源 广西教育厅科研项目 高性能数字化脑电诊断和监护机的研制1.2 EEG 概述 我们知道人和动物的大脑 特别是皮层细胞 存在着频繁的电活动 这些电活动来自神经元 脑内任何部位神经元的活动 通过容积导体 由皮层 颅骨 脑膜及头皮构成传导后在头皮形成电位分布 再用电极将头皮的电位变化放大记录下来 这就是通常所说 12的脑电波 也称为脑电图 EEG Electroencephalogram1.2.1 EEG 的产生机理 自从上世纪 30 年代 Berger 首次报道了人的脑电图后 对于它的形成机制 一直是神经生理学家们感兴趣的问?目前比较公认的看法是 脑电图是皮层神经元群树 1936的研究工作表明脑电慢突突触后电位的总和电位变化3 30 年代后期 Forbes 等 波发生部位在突触附近 Adrain 和张香桐提出脑内神经元的慢波活动发源于大脑皮层浅层并且与顶树突的活动有关 40 年代后 应用微电极记录单个神经元技术 Bremer1949和 Eccles1951提出了脑电节律活动的形成机制是由大脑皮层神经元慢突触电位综合而成的 Li 和Jasper1953以猫为试验体 发现利用微电极记录的皮层下 静脉注射电位变化和粗大电极记录的皮层表面的脑电时相相同 Creutzfeldt 等证实巴比妥类药物剂量达到 500mg 时脑电波与细胞内记录所得的突触后电位同时消失 停止注射 5 分钟则两者同时恢复 以上这些有力地支持了突触后电位学说 无数神经元的数以万计的突触后电位的综合形成了脑电图4 脑电变化可分为两类 1 神经系统本身自发地产生的电位变化 周围没有任何刺激时仍然存在 称为自发电活动 2 当人受到声音 闪光 触击等刺激时 会在头皮上产生微弱的电位变化 称为事件相关电位 ERP event-related potential 也称诱发电位 EPevoked potential EEG 是脑未接受外来刺激下的自发电活动 脑电图是脑神经细胞群电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映 脑电图反映了大脑组织的电活动及大脑的功能状态5 1 脑电信号处理软件的设计与开发1.2.2 EEG 的频带划分及其基本特征 EEG 包含较宽的频带成分 而临床上和生理学研究中关注的频率范围是 0.5 35Hz在此范围内又可以划分为几个频带 国际上主要有以下几种分类方法 按频率的分类 Gibbs分类和按图形的分类678 按频率的分类主要有以下几种 1 节律0.5 3.5Hz 波只在正常成年人深度睡 眠时占优势 经常存在的局灶性 波 提示着病变 2 节律 7.5 12.5Hz 是正常成人的基本节律 是大脑皮层处于清醒放松状态时电活动的主要表现 波波幅平均为 3050 微伏 最高不超过 100 微伏 导出部位不同其波幅亦有差异 一般以枕部波幅最高 其次为顶 额部 最低在颞部 但少数受检者的最高波幅不在枕部而在顶部 正常时波幅应有规律的波动 即有明显的波幅现象 波的波形通常类正弦波 半弧状波和锯齿波 波的恒定性是正常脑电图的重要标志之一 即当机体在生理条件下或在轻度诱发情况下脑电图始终保持恒定 同一部位的 波频率之波动不超过 10 不同部位的频率波动也不超过 20 3 波 3.5 7.5Hz 出现在正常婴幼儿和儿童 EEG 中以及成年人在困倦 睡眠时 EEG 中 若有暴发性 节律出现 属于异常或病变现象 4 节律12.535Hz 常叠于 波或病理波上 是大脑皮层处在紧张激动状态时电活动的主要表现 波波幅约为 530 微伏 一般为 20 微伏左右 主要见于中央区及其前部 以额 颞部较明显 波多呈不规则和左右非同步的出现 在精神活动 情绪兴奋和睁眼时增多 称之为活化波形 约有 6的人即便是在精神安定和闭眼条件下所记录之脑电图仍以 910 在病理状态下 脑电中常出节律为主调节律 称之为快波型脑电图或 型脑电图 现一些异常瞬态波 如棘波 尖波 棘慢综合波 尖慢综合波等 棘波周期短于 80ms 波形呈快速上升和下降 是大脑皮质受刺激的表现 多见于局限性癫痫 尖波周期在 80 200ms 之间 波形快速上升和缓慢下降 似三角波 多见于癫痫 棘慢综合波是由一个棘波和一个慢波组成的复合波 出现于局限性癫痫 两侧对称同步 3Hz 持续的有规律的棘慢节律是癫痫小发作的特征波 脑电图的病理波形在一般情况下不是某种疾病的标志 而是疾病所引起的脑功能紊乱的表现 在各种病因作用下 不同疾病脑功能改变可以相似 因而可具有类似的脑电图变化 如脑肿瘤 脑外伤等可出现类同的慢活动 反之 病因虽然相同 但被检者由于脑功能受损的程度 范围 病程等不同 脑电图可有不同的改变 因此 除个别波形 如 3Hz棘慢节律表示癫痫小发作 外 一般不存在某种疾病所特有的波形 但是 中枢神经系统疾病及某些躯体性疾病在各个阶段可有不同程度和性质的脑电图变化 根据脑电图的特点 异常程度 病变部位及疾病不同阶段脑电图的变化 并结合临床资料 对疾病的诊断预后和防治是有帮助的 也就是说 脑电图对脑部疾病有一定的诊断价值 但受到多种条件的限制 故多数情况下不能作为诊断的唯一依据 而需要结合患者的症状 体征 其他 2 脑电信号处理软件的设计与开发实验检查或辅助检查来综合分析1.2.3 EEG 研究的历史阶段 脑电活动研究的发展经历了三个主要历史阶段 第一阶段自 1875 年英国生理学家Caton 发现家兔和猴脑上的微弱电流并发表他的著作开始 这一阶段的工作都是在低等动物上做的 第二阶段自 1929 年德国的精神病学家和神经病学家 Berger 首次记录到人脑电活动开始 他是人类临床脑电图的奠基者 发表了重要科学论文 关于人的脑电图 首次报道了 节律及由光刺激引起的 阻断反应 并提出了脑电图ElectroencephalogramEEG 这一术语 同时指出脑电图将成为脑病诊断学与神经生理学方面的一门新兴学科Berger 是从人头皮上记录脑电的 当时分析脑电波也全靠目测 第三阶段自第二次世界大战之后 科学家们在实验室利用各种先进的技术和方法 如电子计算机 脑电分析器 在人脑内安全地埋藏电极等等 这一阶段的工作使得脑电活动能够与正常或异常行为联系起来进行考察1.2.4 研究 EEG 的意义 脑电信号蕴含着丰富的大脑活动信息 通过脑电图这个 窗口 人们可以深入地了解大脑的功能状态及活动规律 通过对脑电信号的分析和处理 有效地从脑电信号中提取出可靠 的特征参量来反映不同的脑功能状态 已经成为生理科学研究和临床诊断的重要手段 对于临床脑疾病诊断具有重要意义 一直是国内外关于脑和神经科学研究的热点问题 脑电图检查具有安全无痛 经济方便等特点 已被广泛应用于生理科学研究和临床诊断中 主要有以下几个方面 1 根据脑电图判断精神状态 如 清醒 睡眠 焦虑紧张 疲劳困倦 安静放松情绪波动 注意力集中等 在用脑电图量化判断人体精神状态方面 目前已进行了初步的研究 2 借助脑电图进行脑和神经疾病的诊断 早期的研究结果表明 许多脑和神经疾病如癫痫 脑炎 脑血管病 颅内肿瘤 颅脑损伤 中枢神经系统感染 意识障碍都和脑电异常相关 例如癫痫病 CT 核磁共振成像 MRI 正电子发射断层扫描 PET 等一些非常先进的检查方法仅能表明癫痫病患者脑的组织结构 代谢及局部脑血流量的变化 而无法证实是否为癫痫发作 目前脑电图的癫痫样放电是癫痫病的唯一客观证据 脑电图不仅能帮助理解癫痫放电的机理和病因 而且可以准确地定位癫痫病灶 为外科手术治疗创造条件 另外还可以根据癫痫的发作类型 为选择治疗药物提供资料 再如脑瘤异常慢波的出现 尤其是 3Hz 以下的慢波 可以通过单极导联 观察两侧脑电图的不对称性来确定病变在哪一侧 再用双极导联观察高幅慢波就可以确诊脑瘤的位置 3 脑电图进行麻醉深度监护 麻醉深度不同时 EEG 节律和功率谱都将发生变化 3 脑电信号处理软件的设计与开发临床上 EEG 已被成功用于外科手术的麻醉深度监护 EEG 还被许多学者用于麻醉学研究 4 应用脑电图进行睡眠过程的分析和研究 目前多借助脑电图进行睡眠的分期和睡眠质量的评价 EEG 随着睡眠深度的加深总是变慢 同步化 出现睡眠梭形波和 K 复合波 深度睡眠时总是出现高幅的 特征波 从生理学角度对睡眠质量评价不是仅仅依赖主观感受 而是以 EEG 为重要依据 5 脑电图作为进行死亡判定的依据 临床上 不能恢复自发的呼吸 仅靠人工呼吸维持微弱的心跳的病人 若脑电图普遍消失 应确定为死亡 脑电是典型的时变非平稳信号 幅度只在微伏级 检测时又极易受到噪声的污染 波形繁杂 目前 临床医务工作者仍沿用传统的目测标注法分析脑电图 效率低且在阅读和判断过程中易造成误诊和漏诊 因而对 EEG 的 数据压缩 和特征提取一直停留在主观处理水平上 目测法过分简化了波的成分和复杂性 误差较大 例如 在原始脑电信号数据中看来相似的波形却可能隐含着不同的时频结构 而这种时频结构靠目测检查无法辨别因此 寻求客观有效的 EEG 自动分析检测方法已成为医学界的迫切要求1.2.5 目前国内外 EEG 研究动态和发展趋势 目前 国内外的数字化脑电图仪产品中 分析脑电信号主要采用以下三种方法 1 时域分析 时域分析主要是直接提取波形特征 包含分析脑电波的波幅 波形 时程 看起来比较直观 最早对 EEG 信号进行分析主要是靠医生目测和尺量等方法进行人工计算分析 在没有计算机发明以前 实际上这正是早期的人工时域分析 因为中枢神经系统的某些重要信息主要是反映在波形特征上 所以原始 EEG 的时域分析 至今仍然是提取脑电信息的重要途径 时域分析的常用分析方法有相关分析 方差分析 直方图以及微分 积分 峰值检测等 2 频域分析 频域分析又称作谱分析 谱是指信号的某些参数在频域随频率的分布 例如幅度谱相位谱 功率谱 能量谱等 由于离散傅立叶变换的快速算法 FFT 的出现 在计算机强大的数学运算能力的辅助下 使信号频谱分析计算变得比较简单 处理速度也快 易于实现因此 在现代科学领域中获得非常广泛的应用 因为脑电信号很多主要的特征是反映在频率特征上的 所以频域分析技术在脑电信号处理中更占有非常重要的作用 一般是脑电波划分成 四个波段进行分 析 脑电信号的频域分析 主要是进行功率谱分析 有以下几个原因 1 脑电信号是持续时间无限的随机信号 属于功率型信号 从数学的角度分析 它不存在傅立叶变换 因此只能求取功率谱特性 2 功率谱不仅与信号的频谱及幅度谱有非常密切的关系 而且和自相关函数构成一对傅立叶变换 3 对于一段脑电信号而言是可以进行傅立叶变换的 4 脑电信号处理软件的设计与开发但是得到的结果是复数 因此其频域特征主要有幅谱与相谱来联合表达 而功率谱是实函数 可以完整地表达一个信号的能量与幅度特性 与此同时也带来了功率谱的局限性 这就是功率谱分析失去了全部相位信息 因此单独由功率谱不能恢复出原来的信号 这要靠其它的技术与方法来解决 3 统计学分析 统计学分析是将脑电信号看作准平稳过程信号 进行相干分析 系统传递函数和脉冲响应分析以及频率的估计分析等 但是 由于脑电源于非线性 时变 非平稳的复杂系统 使得上述传统的分析方法存在很大的局限性 例如 传统的时域和统计分析方法无法解释脑电中大量存在的非周期事件 如偶发尖波 以 Fourier 变换为核心的经典功率谱分析方法由于存在频率分辨率和谱估计稳定性之间的矛盾 无法实现时间定位和时间局数据加窗处理造成能量向旁瓣中泄漏使主瓣模糊不清 部化等缺陷 使其得出的很多结论无法与神经生理学的结果相吻合 显然要用传统的时域 频域和统计分析方法来揭示出脑电活动的本质特征和为临床诊断提供更多的有用信息就非常困难.