定量脑电中参考与谱分析技术研究
发布时间：2021-07-11 00:47
脑电信号是活跃电极与物理参考电极或虚拟数字参考的电位差,呈现为多维时间序列。使用不当参考会造成时域波形失真甚至影响频域的谱、相干估计和网络分析等。参考选择不规范已成为定量脑电的首要问题。定量脑电是基于大样本静息态脑电谱常模特征的诊断方法,谱分析有关的技术如谱质量、常模估计、特征提取中存在的不足限制着定量脑电在神经认知功能和精神疾病方面的应用。本论文以参考选择和谱分析技术为重点,按照关乎数据质量、影响定量分析应用的顺序,第一部分深入研究参考选择的物理因素、统计学证据和单极参考的数学属性,第二部分初步探究谱质量准则、多国家谱常模估计和谱成分特征提取算法。主要研究内容如下:1.当前供选择的参考种类繁多,多种在线记录参考和重参考虽具有不同物理假设,它们在实际采集条件下的性能区别尚不清楚。仿真得到标准无穷远参考下的脑电电位,综合分析5种在线记录参考和3种重参考在11种电极数、2种典型电极分布、多种头模型、不同神经源位置方向及分区、不同头表区域分区、不同头模型受扰动程度和不同电极噪声等条件下逼近理想无穷远参考的效果。研究发现平均参考和零参考明显更优,平均参考的性能并不随电极数增多而改善且受到头表电...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A.脑电产生的偶极子、电流与差分记录，引自文献[12]，B.脑电的不同节律波形特点，引自文献[13]
第一章绪论极的多通道信号分析和溯源[8]到源空间的分析；按角度分为脑电波时域波形幅度分析、微状态[27]等空间模式分析和通过傅里叶变换对信号的时不变特征进行频域谱分析；根据是否关注信号间的联系又分为谱分析和基于图论的脑连接脑网络分析；按照信号分析的复杂程度，可分为基于高斯稳态的线性分析和考虑复杂度、更高阶谱、混沌动力学、熵等非稳态非随机的非线性分析；最后根据应用并借助机器学习方法，可分为脑电谱常模的回归和对脑状态、脑疾病的分类预测等。图1-3脑电研究方法进展与类型。但参考选择是进行脑电分析的基础和关键[28]，参考选择不规范是影响定量脑电分析的首要问题。定量脑电的定义表明定量脑电与谱数据选择、谱常模估计和谱特征提取紧密相关。本论文把参考与谱分析有关的技术作为定量脑电的重点研究内容。1.3.1参考问题图1-2A表示脑电信号的产生记录过程，脑电记录是活跃电极和参考电极的信号经差分放大得到的。脑电实际上是活跃电极信号减去参考电极信号得到的电势差[9]。根据电荷、偶极子及电场理论，测量电势的最优物理参考是距离测量带电荷无穷远处的位点，该位点具有零电势是稳定的中立参考，被称为无穷远参考(InfinityReference)。自脑电产生以来，人们一直不间断地尝试希望找到接近于理论无穷远参考的位点。如今可供选择的参考种类繁多，图1-4列举了连接耳参考[29](LinkedMastoids，LM)、平均参考[30,31](AverageReference，AR)、左耳、右耳、偏侧耳(IpsilateralEar)、头表电极Cz、横向双极参考和纵向双极参考等。从图1-4中可看出，不同参考记录时的头表电位地形图相同但波形截然不同。这是因为参考的作用是连续记录中从所有活跃电极减去一维时变信号。尽管不同参考下3
电子科技大学博士学位论文活跃电极处的记录是相同大脑神经源活动经脑脊液、颅骨、头皮等衰减传播到活跃电极处叠加的信号，但不同参考意味着脑电差分记录中减去的信号不同。现有多种可供选择的参考造成参考使用不一致的问题，使难以对不同参考的脑电分析结果进行对比。参考选择不规范以及由此产生的争论被称为参考电极问题[32–34]。图1-4不统一的参考电极选择。左列为常用的在线记录参考，中间列为双极参考，右列为重参考。1.3.1.1参考的类型脑电参考按步骤可分为在线记录参考和重参考[35]。在线记录参考是脑电数据采集中主观选择的位于某个空间位置的电极，一般由脑电采集设备生产商确定，常见的参考电极有FCz、Cz等。重参考是对获取的脑电记录进行离线分析时重新选择的参考，可能是将脑电记录中的某电极指定为参考电极，通常是对脑电记录进行电极间的线性组合得到的虚拟数字参考信号，常见的有连接耳参考、平均参考等。按照参考信号的唯一性可将脑电参考分为单极参考和双极参考等。单极参考是瞬时地从所有活跃电极减去相同的常数。双极参考在瞬时条件下从活跃电极上减去的常数不唯一，存在两个或更多。无穷远参考是一种单极参考。双极参考多数是横向或纵向顺次地将前一个电极作为后一个电极的参考，此时记录到局部相邻电极的相对电位。双极参考得到的脑电记录近似于脑电电位的一阶导，大多与头表的水平电流密度有关，是不同于单极参考下脑电电位的物理度量。偏侧耳参考是将一侧头表的电极参考到同侧的耳垂处的电极以消除左右半球的不对称性，这种双极参考记录增加了电极间差异的不确定性。单极参考是脑电参考的主要占优类型。本论文主要研究的是单极参考，可能是在线记录参考或重参考。4
本文编号：3276990
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
A.脑电产生的偶极子、电流与差分记录，引自文献[12]，B.脑电的不同节律波形特点，引自文献[13]
第一章绪论极的多通道信号分析和溯源[8]到源空间的分析；按角度分为脑电波时域波形幅度分析、微状态[27]等空间模式分析和通过傅里叶变换对信号的时不变特征进行频域谱分析；根据是否关注信号间的联系又分为谱分析和基于图论的脑连接脑网络分析；按照信号分析的复杂程度，可分为基于高斯稳态的线性分析和考虑复杂度、更高阶谱、混沌动力学、熵等非稳态非随机的非线性分析；最后根据应用并借助机器学习方法，可分为脑电谱常模的回归和对脑状态、脑疾病的分类预测等。图1-3脑电研究方法进展与类型。但参考选择是进行脑电分析的基础和关键[28]，参考选择不规范是影响定量脑电分析的首要问题。定量脑电的定义表明定量脑电与谱数据选择、谱常模估计和谱特征提取紧密相关。本论文把参考与谱分析有关的技术作为定量脑电的重点研究内容。1.3.1参考问题图1-2A表示脑电信号的产生记录过程，脑电记录是活跃电极和参考电极的信号经差分放大得到的。脑电实际上是活跃电极信号减去参考电极信号得到的电势差[9]。根据电荷、偶极子及电场理论，测量电势的最优物理参考是距离测量带电荷无穷远处的位点，该位点具有零电势是稳定的中立参考，被称为无穷远参考(InfinityReference)。自脑电产生以来，人们一直不间断地尝试希望找到接近于理论无穷远参考的位点。如今可供选择的参考种类繁多，图1-4列举了连接耳参考[29](LinkedMastoids，LM)、平均参考[30,31](AverageReference，AR)、左耳、右耳、偏侧耳(IpsilateralEar)、头表电极Cz、横向双极参考和纵向双极参考等。从图1-4中可看出，不同参考记录时的头表电位地形图相同但波形截然不同。这是因为参考的作用是连续记录中从所有活跃电极减去一维时变信号。尽管不同参考下3
电子科技大学博士学位论文活跃电极处的记录是相同大脑神经源活动经脑脊液、颅骨、头皮等衰减传播到活跃电极处叠加的信号，但不同参考意味着脑电差分记录中减去的信号不同。现有多种可供选择的参考造成参考使用不一致的问题，使难以对不同参考的脑电分析结果进行对比。参考选择不规范以及由此产生的争论被称为参考电极问题[32–34]。图1-4不统一的参考电极选择。左列为常用的在线记录参考，中间列为双极参考，右列为重参考。1.3.1.1参考的类型脑电参考按步骤可分为在线记录参考和重参考[35]。在线记录参考是脑电数据采集中主观选择的位于某个空间位置的电极，一般由脑电采集设备生产商确定，常见的参考电极有FCz、Cz等。重参考是对获取的脑电记录进行离线分析时重新选择的参考，可能是将脑电记录中的某电极指定为参考电极，通常是对脑电记录进行电极间的线性组合得到的虚拟数字参考信号，常见的有连接耳参考、平均参考等。按照参考信号的唯一性可将脑电参考分为单极参考和双极参考等。单极参考是瞬时地从所有活跃电极减去相同的常数。双极参考在瞬时条件下从活跃电极上减去的常数不唯一，存在两个或更多。无穷远参考是一种单极参考。双极参考多数是横向或纵向顺次地将前一个电极作为后一个电极的参考，此时记录到局部相邻电极的相对电位。双极参考得到的脑电记录近似于脑电电位的一阶导，大多与头表的水平电流密度有关，是不同于单极参考下脑电电位的物理度量。偏侧耳参考是将一侧头表的电极参考到同侧的耳垂处的电极以消除左右半球的不对称性，这种双极参考记录增加了电极间差异的不确定性。单极参考是脑电参考的主要占优类型。本论文主要研究的是单极参考，可能是在线记录参考或重参考。4
本文编号：3276990
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