熵测度及压缩感知理论在睡眠质量评估中的研究与应用
发布时间：2021-08-13 07:32
睡眠是一个复杂的生理过程,睡眠质量的高低直接影响人体的健康水平。随着对睡眠研究的逐渐深入,人们对睡眠的认知以及睡眠质量的评估方法也都取得了长足的发展,但是在睡眠的生理机制及与睡眠相关疾病的诊断和治疗方面仍存在大量需要改进或者不明确的问题存在。在此背景下,本文以睡眠质量研究为核心,针对睡眠分期、阻塞性睡眠呼吸暂停病人的脑功能异常以及睡眠心电信号研究三个问题开展工作。本文首先综述了熵测度方法及压缩感知的理论基础,并以此为技术手段针对以上三个问题展开研究:针对第一个问题,首先研究了基于熵测度和支持向量机的自动睡眠分期方法,并进一步提出了一种新的睡眠分期熵测度算法—张量近似熵,有效地提升了睡眠分期的准确率;针对第二个问题,提出了基于模糊熵和偏侧化指数的大脑半球优势评估方法,发现并证实了阻塞性睡眠呼吸暂停病人的脑功能偏侧化现象;针对第三个问题,提出了基于压缩感知理论的睡眠心电信号采样压缩重构框架,为睡眠心电信号的大数据获取与传输提供了有效的解决方案。总结起来,本论文的主要工作包括以下几个方面:（1）详细综述了近年来应用于生理信号非线性分析的几种常用的熵测度方法,包括近似熵、样本熵、模糊熵以及模糊...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２阻塞性睡眠呼吸暂停的生理表现（引自［３６］）??０ＳＡ典型的生理表现如图１．２所示，当气流不再波动时表明发生了睡眠呼吸??
?山东大学博士毕业论文???左表？右左右左ｉｒｖ＊?右Ｈ??初改切改初陟劝陟切陟??正常人?暴力、偏执?精神分裂症?抑郁症?广泛性焦虑??反社会人格?抑郁症?精神分裂症?创伤后应激障碍??图１．３不同精神障碍下的大脑偏侧化现象（引自［５３］）??针对大脑半球的偏侧化，最初的研宄更多集中于动物，包括两栖动物、爬行??动物、鱼类以及鸟类都表现出典型的大脑功能不对称现象Ｍｌ。其中最典型的一个??例子是鸟类在迁徙的过程中仅靠右眼视网膜上的神经节细胞来感知地磁场方向??［４６］。除此之外，Ｔａｎｇ等［５４］通过设计实验发现，当果蝇左右两侧均出现剧烈的运??动刺激时，其在短时间内仅能接收单侧的刺激并向该方向飞行，与此同时其神经??活动出现明显的不对称性，在飞行方向一侧的神经活动被放大而对侧的神经活动??受到抑制。Ｌｏｎｇ等［５５］在针对鸟叫过程中的神经控制和肌肉活动的研宄中同样发??现了左右脑神经功能切换机制及偏侧化现象。另外，在给仓鼠施加持续光照的实??验中，其左右视交叉上核每隔１２个小时便会出现昼夜节律的震荡，且左右脑交??替的慢波睡眠在海洋生物、鸟类及某些爬行动物中是一种最常见的睡眠模式。??随着人们对睡眠医学研宄的逐渐深入，睡眠过程中的脑功能偏侧化研宄得到??了进一步的发展，特别是近年来ＥＥＧ的相干性分析在研宄大脑功能性不对称方??面引起了广泛的关注ｔ５６ｌ，并应用在多个领域以探究大脑半球内及半球间的功能??差异性，包括阿尔茨海默症［５７］、癫痫［５Ｓ］以及左右惯用手［５９］等方面。目前，针对睡??眠过程中出现的脑功能偏侧化研宄主要集中在三个方面：单边慢波睡眠、睡眠纺??锤波的脑功能偏侧化以及不同睡眠状态下
制。??（２）睡眠纺锤波的脑功能偏侧化??现有研究己经证实在睡眠过程中产生的纺锤波存在左右脑半球功能偏侧化??现象１６２］。纺锤波是指在睡眠过程中由丘脑产生的一种脑电波，而丘脑是负责将外??部信号传递给大脑其他部分的一种结构。研宂人员据此认为，纺锤波的存在有助??于降低外部噪音干扰对睡眠深度的影响，使得快速进入深度睡眠状态。Ｂ６ｄｉｚｓ等??［６２］通过分析纺锤波的幅值、密度以及持续时间，发现大脑的额颞枕叶和顶叶的纺??锤波具有左脑偏侧化现象，而前额叶纺锤波则出现右脑偏侧化现象，如图１．４所??／Ｊｎ?〇??Ａ１｜Ｔ３?Ｃ３?Ｃ４?Ｔ４］Ａ２＾?．?Ａ?．?．??＼?＾?Ｐ３?Ｐ４?Ｔ６?Ｊ?＾＾?ｆｙ??＼ｒ?〇ｉ?〇２＾／?—／?＾＾??Ｄｅｎｓｉｔｙ?Ｄｕｒａｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ??０．０４?０．０３?０．０２?０．０１?０?－０．０１?０．０１６?０．０１２?０．００？?０．００４?０?－０．００４?０．０６?０．０４?０．０２?０?－０．０２?－０．０４??Ｆｐｌ－Ｆｐ２?｜Ｄ?Ｈ?Ｆｐｌ－Ｆｐ２??＾?Ｔ３－Ｔ４?￣＾?ａａ?ｅ？Ｍｔｍ?Ｔ３－Ｔ４??Ｔ５－Ｔ６?一ｕ；－．，：?Ｔ５－Ｔ６??Ｓ＂?０１－０２?＇■?－?？：?－?…仏?０１－０２??｜?Ｆ３－Ｆ４?，?－，?Ｆ３－Ｆ４??＾?Ｃ３－Ｃ４?．?ｄｗ：，．’?Ｃ３－Ｃ４??Ｐ３－Ｐ４?■?■?伽ａｓｗｊ?ＰＪ＞Ｐ４??＿＊？?ｆｐｌ－ｆｐ２??ｓ?關?风民抑?Ｊｒ１．?ｎ－ｎ??１?■丨丨＿■?，紙说?＝??Ｔ５？Ｔ６?ＢＨｉＢｌｉｉＭＢ?■ｗ
【参考文献】：
期刊论文
[1]支持向量机、随机森林和人工神经网络机器学习算法在地球化学异常信息提取中的对比研究[J]. 李苍柏,肖克炎,李楠,宋相龙,张帅,王凯,楚文楷,曹瑞. 地球学报. 2020(02)
[2]清醒与睡眠的脑电信号聚类分析[J]. 费智接,谢宏,阮盛捷. 现代计算机(专业版). 2018(21)
[3]重复经颅磁刺激治疗神经精神疾病的分子生物机制[J]. 武学庆,居云悦,苏杭,赵敏. 国际精神病学杂志. 2018(03)
[4]基于块稀疏贝叶斯学习的多任务压缩感知重构算法[J]. 文方青,张弓,贲德. 物理学报. 2015(07)
[5]阻塞性睡眠呼吸暂停综合征致中枢神经系统损害[J]. 赵翔翔,李雁鹏,赵忠新. 中国现代神经疾病杂志. 2013(05)
[6]基于近似熵的不同状态心电信号的分析[J]. 焦方惠,郭永新,焦青. 中国医疗器械杂志. 2012(01)
[7]脑电Alpha波的混沌关联维数分析[J]. 李春胜,王宏. 仪器仪表学报. 2009(03)
[8]世界睡眠医学的发展现状[J]. 王实. 沈阳医学院学报. 2008(02)
[9]抑郁症患者运动阈值（MT）的研究[J]. 崔雪莲,张理义,高志勤,邱旭萍. 中国健康心理学杂志. 2008(04)
[10]样本熵及在脑电癫痫检测中的应用[J]. 白冬梅,邱天爽,李小兵. 生物医学工程学杂志. 2007(01)
博士论文
[1]基于模糊思想的熵方法及在心血管信号分析中的应用[D]. 赵莉娜.山东大学 2019
硕士论文
[1]耦合张量块分解方法及其应用[D]. 杨佳星.大连理工大学 2019
[2]基于心电信号和脉搏信号耦合强度的睡眠分期研究[D]. 汲长娟.南京邮电大学 2018
[3]基于心率变异性的睡眠分期研究[D]. 朱彬.杭州电子科技大学 2018
[4]基于心电信号和深度神经网络的睡眠分期研究[D]. 张兴华.天津工业大学 2018
[5]睡眠呼吸暂停病人HRV和PRV的相关性研究[D]. 刘双艳.山东大学 2017
[6]基于大脑半球功能非对称理论对舍曲林联合rTMS治疗持续性躯体形式疼痛障碍的机理研究[D]. 李柄佑.成都中医药大学 2016
[7]基于排序熵的阿尔兹海默症特征提取与分析[D]. 梁丽.天津大学 2016
本文编号：3340015
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２阻塞性睡眠呼吸暂停的生理表现（引自［３６］）??０ＳＡ典型的生理表现如图１．２所示，当气流不再波动时表明发生了睡眠呼吸??
?山东大学博士毕业论文???左表？右左右左ｉｒｖ＊?右Ｈ??初改切改初陟劝陟切陟??正常人?暴力、偏执?精神分裂症?抑郁症?广泛性焦虑??反社会人格?抑郁症?精神分裂症?创伤后应激障碍??图１．３不同精神障碍下的大脑偏侧化现象（引自［５３］）??针对大脑半球的偏侧化，最初的研宄更多集中于动物，包括两栖动物、爬行??动物、鱼类以及鸟类都表现出典型的大脑功能不对称现象Ｍｌ。其中最典型的一个??例子是鸟类在迁徙的过程中仅靠右眼视网膜上的神经节细胞来感知地磁场方向??［４６］。除此之外，Ｔａｎｇ等［５４］通过设计实验发现，当果蝇左右两侧均出现剧烈的运??动刺激时，其在短时间内仅能接收单侧的刺激并向该方向飞行，与此同时其神经??活动出现明显的不对称性，在飞行方向一侧的神经活动被放大而对侧的神经活动??受到抑制。Ｌｏｎｇ等［５５］在针对鸟叫过程中的神经控制和肌肉活动的研宄中同样发??现了左右脑神经功能切换机制及偏侧化现象。另外，在给仓鼠施加持续光照的实??验中，其左右视交叉上核每隔１２个小时便会出现昼夜节律的震荡，且左右脑交??替的慢波睡眠在海洋生物、鸟类及某些爬行动物中是一种最常见的睡眠模式。??随着人们对睡眠医学研宄的逐渐深入，睡眠过程中的脑功能偏侧化研宄得到??了进一步的发展，特别是近年来ＥＥＧ的相干性分析在研宄大脑功能性不对称方??面引起了广泛的关注ｔ５６ｌ，并应用在多个领域以探究大脑半球内及半球间的功能??差异性，包括阿尔茨海默症［５７］、癫痫［５Ｓ］以及左右惯用手［５９］等方面。目前，针对睡??眠过程中出现的脑功能偏侧化研宄主要集中在三个方面：单边慢波睡眠、睡眠纺??锤波的脑功能偏侧化以及不同睡眠状态下
制。??（２）睡眠纺锤波的脑功能偏侧化??现有研究己经证实在睡眠过程中产生的纺锤波存在左右脑半球功能偏侧化??现象１６２］。纺锤波是指在睡眠过程中由丘脑产生的一种脑电波，而丘脑是负责将外??部信号传递给大脑其他部分的一种结构。研宂人员据此认为，纺锤波的存在有助??于降低外部噪音干扰对睡眠深度的影响，使得快速进入深度睡眠状态。Ｂ６ｄｉｚｓ等??［６２］通过分析纺锤波的幅值、密度以及持续时间，发现大脑的额颞枕叶和顶叶的纺??锤波具有左脑偏侧化现象，而前额叶纺锤波则出现右脑偏侧化现象，如图１．４所??／Ｊｎ?〇??Ａ１｜Ｔ３?Ｃ３?Ｃ４?Ｔ４］Ａ２＾?．?Ａ?．?．??＼?＾?Ｐ３?Ｐ４?Ｔ６?Ｊ?＾＾?ｆｙ??＼ｒ?〇ｉ?〇２＾／?—／?＾＾??Ｄｅｎｓｉｔｙ?Ｄｕｒａｔｉｏｎ?Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ??０．０４?０．０３?０．０２?０．０１?０?－０．０１?０．０１６?０．０１２?０．００？?０．００４?０?－０．００４?０．０６?０．０４?０．０２?０?－０．０２?－０．０４??Ｆｐｌ－Ｆｐ２?｜Ｄ?Ｈ?Ｆｐｌ－Ｆｐ２??＾?Ｔ３－Ｔ４?￣＾?ａａ?ｅ？Ｍｔｍ?Ｔ３－Ｔ４??Ｔ５－Ｔ６?一ｕ；－．，：?Ｔ５－Ｔ６??Ｓ＂?０１－０２?＇■?－?？：?－?…仏?０１－０２??｜?Ｆ３－Ｆ４?，?－，?Ｆ３－Ｆ４??＾?Ｃ３－Ｃ４?．?ｄｗ：，．’?Ｃ３－Ｃ４??Ｐ３－Ｐ４?■?■?伽ａｓｗｊ?ＰＪ＞Ｐ４??＿＊？?ｆｐｌ－ｆｐ２??ｓ?關?风民抑?Ｊｒ１．?ｎ－ｎ??１?■丨丨＿■?，紙说?＝??Ｔ５？Ｔ６?ＢＨｉＢｌｉｉＭＢ?■ｗ
【参考文献】：
期刊论文
[1]支持向量机、随机森林和人工神经网络机器学习算法在地球化学异常信息提取中的对比研究[J]. 李苍柏,肖克炎,李楠,宋相龙,张帅,王凯,楚文楷,曹瑞. 地球学报. 2020(02)
[2]清醒与睡眠的脑电信号聚类分析[J]. 费智接,谢宏,阮盛捷. 现代计算机(专业版). 2018(21)
[3]重复经颅磁刺激治疗神经精神疾病的分子生物机制[J]. 武学庆,居云悦,苏杭,赵敏. 国际精神病学杂志. 2018(03)
[4]基于块稀疏贝叶斯学习的多任务压缩感知重构算法[J]. 文方青,张弓,贲德. 物理学报. 2015(07)
[5]阻塞性睡眠呼吸暂停综合征致中枢神经系统损害[J]. 赵翔翔,李雁鹏,赵忠新. 中国现代神经疾病杂志. 2013(05)
[6]基于近似熵的不同状态心电信号的分析[J]. 焦方惠,郭永新,焦青. 中国医疗器械杂志. 2012(01)
[7]脑电Alpha波的混沌关联维数分析[J]. 李春胜,王宏. 仪器仪表学报. 2009(03)
[8]世界睡眠医学的发展现状[J]. 王实. 沈阳医学院学报. 2008(02)
[9]抑郁症患者运动阈值（MT）的研究[J]. 崔雪莲,张理义,高志勤,邱旭萍. 中国健康心理学杂志. 2008(04)
[10]样本熵及在脑电癫痫检测中的应用[J]. 白冬梅,邱天爽,李小兵. 生物医学工程学杂志. 2007(01)
博士论文
[1]基于模糊思想的熵方法及在心血管信号分析中的应用[D]. 赵莉娜.山东大学 2019
硕士论文
[1]耦合张量块分解方法及其应用[D]. 杨佳星.大连理工大学 2019
[2]基于心电信号和脉搏信号耦合强度的睡眠分期研究[D]. 汲长娟.南京邮电大学 2018
[3]基于心率变异性的睡眠分期研究[D]. 朱彬.杭州电子科技大学 2018
[4]基于心电信号和深度神经网络的睡眠分期研究[D]. 张兴华.天津工业大学 2018
[5]睡眠呼吸暂停病人HRV和PRV的相关性研究[D]. 刘双艳.山东大学 2017
[6]基于大脑半球功能非对称理论对舍曲林联合rTMS治疗持续性躯体形式疼痛障碍的机理研究[D]. 李柄佑.成都中医药大学 2016
[7]基于排序熵的阿尔兹海默症特征提取与分析[D]. 梁丽.天津大学 2016
本文编号：3340015
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