多导联环境下基于改进矩匹配法的眼电伪迹自动高速去除
发布时间：2022-01-17 06:20
脑电信号作为一种重要的生理电信号,在临床医学、脑机接口等科研领域具有广泛的应用和重要的意义,是自然科学研究的重要组成部分。但由于脑电信号是一种微弱的非平稳随机信号,在采集过程经常会受到严重的噪声干扰,尤其是眼动和眨眼引起的眼电伪迹,由于幅值大,且所处频段与脑电信号重合,难以通过频域滤波等传统的数字信号处理方法去除。为了有效去除这种噪声,本文探索将数字图像处理方法用于去除脑电信号中的眼电伪迹,对去除高光谱遥感图像中条带噪声的经典方法进行改进,提出了一种基于改进矩匹配法的眼电伪迹去除方法。将多导脑电信号中的采样点视为图像像素点,对矩匹配法进行适应性改进,利用眼电的传播特性和数据的中心矩等统计特性,纠正由眼电伪迹引起的电位幅值偏移。文中运用该方法同时对模拟多导联脑电数据与采集的真实脑电数据进行眼电伪迹去除,并与现有的多导脑电去噪常用方法独立成分分析（ICA）和二阶盲辨识（SOBI）进行对比。通过对去噪结果的分析和讨论,证明了本文提出的改进矩匹配法在非受噪区域有更优越的波形细节保留能力,且在处理大量多导联脑电数据时具有更小的计算复杂度和更快的运算速度,因此该方法能够广泛应用于各类实时或离线去除...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脑电图不同节律的波形[9]
集技术。介入式通过开颅手术将电极阵列置于颅内神经中枢；部分介入式将电极植入颅腔内，灰质外进行电信号采集。有损采集技术精度高、噪音孝电极空间位置定位准确。但是其缺点同样突出，操作难度大，实验安全难以保证，若注入的电极引发了组织免疫反应以及愈伤组织将会导致信号的衰落甚至消失。非介入式采集方法则规避了上述缺点，通过将电极贴附于头皮表面拾取电位变化，简单安全，经济实用。但是与之相对应的，信号精度下降且容易受到外界噪声干扰。脑电信号一般都是由专门的高精度仪器采集，目前最常用的非介入式采集如图2-2所示[8]。设备通过放置在头皮的电极拾取头皮表面微弱的电流变化，经过电极导联耦合到信号放大电路，将幅值大幅度放大后数字化，导入到与仪器配套的计算机记录系统中显示并存储。图2-2脑电采集系统基础电路由于采集设备需要将微伏级的脑电信号放大百万倍，因此其使用条件和环境需要满足一定的要求。通常采集过程需要选择在光线可调节，温度适宜且安静，能够尽可能屏蔽外界电磁干扰的小型独立空间中进行。目前，大部分在临床环境中使用的脑电采集设备均为多导联，因为导联数量越多，就能获得更多的脑电空间信息。临床脑电采集设备一般最少包含8导联，此外还有包含12导、16导、32导的型号。在脑功能认知研究中所用到的采集设备导联数则更多，通常都是64导、128导以及256导的脑电图仪。但随着导联数的增加，不仅采集中所需的电极数量增多，安放电极的时长明显增加，并且后期处理采集到的脑电信号时会面临更大的计算复杂度[26]。
兰州大学硕士研究生学位论文多导联环境下基于改进矩匹配法的眼电伪迹自动高速去除11图2-3脑10/20系统电极位置示意图除了脑电图仪之外，采集中还需要电极帽来获取头皮上微弱的电信号。电极帽上的标准银/氯化银（Ag/AgCl）电极被固定在预设位置，使用时向电极与头皮之间注入导电膏或者高浓度盐水，保证二者之间的接触电阻在5kΩ以下。电极安放位置根据研究目标各有不同，主要包括Gibbs法、Cohn法以及Montreal法等。目前应用最多的标准方法是国际脑电图学会推荐使用的10/20系统法，也就是Montreal法[27]。国际脑电图学会于1958年统一了世界各国的脑电记录系统电极安放位置标准，如图2-3（图片来源于网络）所示。目前的研究中更多导联的脑电帽也是根据此标准扩展得到。这种电极放置标准与大脑皮层的解剖关系是完全相符的，例如C3和C4电极就位于大脑中央沟上，F7和F8则位于外侧裂附近。10/20系统法的名称源自于在一横一纵两根标志线上电极之间的相对距离是整条标志线长度的10%或者20%。人体头部被两条标志线分为四个区域，其中从鼻根到枕外隆凸的连线是矢状线，从前到后共五个电极，除两端电极前额FPz和枕区Oz占全中线长的10%以外，其余三个电极Fz，Cz，Pz四等分中间区域，即各点间距为20%的全中线长。横向连接于两外耳道之间称之为冠状线，线上五个电极位置分布与矢状线完全相同。两条分界线相交于Cz电极，以此电极为圆心，和其它标志线上电极距离为半径画圆，可以得到全部有效电极的具体位置。而其余各个电极的数字后缀命名根据位置同样有规律可循，奇数代表此电极位于头部左半侧，反之偶数标号的电极都位于右侧，且两侧数字越靠近中央区域越校
【参考文献】：
期刊论文
[1]便携式BCI设备快速自动去眼电伪迹算法的研究[J]. 牛群峰,周季冬,王莉,惠延波. 自动化与仪表. 2019(02)
[2]脑电中眼电伪迹的自动识别与去除[J]. 李明爱,刘帆. 北京生物医学工程. 2018(06)
[3]离散小波变换结合二阶盲辨识的眼电伪迹自动去除方法[J]. 姚悦,丁永红,裴东兴. 科学技术与工程. 2018(22)
[4]无先验参考的脑电信号伪迹去除方法[J]. 陆竹风,张小栋,张黎明,张强. 机械与电子. 2017(04)
[5]改进独立分量算法的眼电伪迹去除方法研究[J]. 王灿锋,孙曜. 计算机工程与应用. 2018(04)
[6]眼电伪迹自动识别与去除的新方法[J]. 李明爱,郭硕达,田晓霞,杨金福,郝冬梅. 电子学报. 2016(05)
[7]基于二阶盲辨识结合小波包的脑电信号预处理[J]. 杨帮华,章云元,李华荣,张桃,段凯文. 上海交通大学学报. 2015(12)
[8]单通道脑电信号中眼电干扰的自动分离方法[J]. 吴明权,李海峰,马琳. 电子与信息学报. 2015(02)
[9]基于快速独立分量分析的脑电波信号降噪[J]. 刘珑,李胜. 计算机测量与控制. 2014(11)
[10]基于改进的矩匹配方法高光谱影像条带噪声滤波技术[J]. 韩玲,董连凤,张敏,吴静. 光学学报. 2009(12)
博士论文
[1]256导联高密度脑电源定位技术在癫痫外科的临床应用研究[D]. 冯睿.复旦大学 2014
[2]脑电信号中眼电伪迹去除方法研究[D]. 刘铁军.电子科技大学 2008
硕士论文
[1]64导联脑电信号分析系统的设计与研究[D]. 张萍萍.山东师范大学 2019
[2]基于自适应遗传算法优化的栈式稀疏自编码器的眼电伪迹去除模型[D]. 苏乃斐.浙江大学 2019
[3]海洛因成瘾戒断群体在MID任务中的奖赏期待与加工机制研究[D]. 周昱.兰州大学 2019
[4]基于脑电信号的海洛因成瘾戒断者的识别[D]. 郭肖瑜.兰州大学 2019
[5]海洛因成瘾戒断者风险决策及注意偏向的ERP源定位研究[D]. 李红倩.兰州大学 2018
[6]基于小波变换和卡尔曼滤波器的去眼电伪迹算法的研究[D]. 李洋.兰州大学 2016
[7]单导脑电信号伪迹去除算法的研究[D]. 李阳.兰州大学 2014
[8]基于眼电信号的眼部动作的分析与识别[D]. 袁廷中.杭州电子科技大学 2014
[9]便携式环境下基于离散小波变换和自适应滤波器的眼电去除模型[D]. 施秋霞.兰州大学 2013
[10]普适环境下基于静息态脑电的身份识别研究[D]. 刘泉影.兰州大学 2013
本文编号：3594209
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
脑电图不同节律的波形[9]
集技术。介入式通过开颅手术将电极阵列置于颅内神经中枢；部分介入式将电极植入颅腔内，灰质外进行电信号采集。有损采集技术精度高、噪音孝电极空间位置定位准确。但是其缺点同样突出，操作难度大，实验安全难以保证，若注入的电极引发了组织免疫反应以及愈伤组织将会导致信号的衰落甚至消失。非介入式采集方法则规避了上述缺点，通过将电极贴附于头皮表面拾取电位变化，简单安全，经济实用。但是与之相对应的，信号精度下降且容易受到外界噪声干扰。脑电信号一般都是由专门的高精度仪器采集，目前最常用的非介入式采集如图2-2所示[8]。设备通过放置在头皮的电极拾取头皮表面微弱的电流变化，经过电极导联耦合到信号放大电路，将幅值大幅度放大后数字化，导入到与仪器配套的计算机记录系统中显示并存储。图2-2脑电采集系统基础电路由于采集设备需要将微伏级的脑电信号放大百万倍，因此其使用条件和环境需要满足一定的要求。通常采集过程需要选择在光线可调节，温度适宜且安静，能够尽可能屏蔽外界电磁干扰的小型独立空间中进行。目前，大部分在临床环境中使用的脑电采集设备均为多导联，因为导联数量越多，就能获得更多的脑电空间信息。临床脑电采集设备一般最少包含8导联，此外还有包含12导、16导、32导的型号。在脑功能认知研究中所用到的采集设备导联数则更多，通常都是64导、128导以及256导的脑电图仪。但随着导联数的增加，不仅采集中所需的电极数量增多，安放电极的时长明显增加，并且后期处理采集到的脑电信号时会面临更大的计算复杂度[26]。
兰州大学硕士研究生学位论文多导联环境下基于改进矩匹配法的眼电伪迹自动高速去除11图2-3脑10/20系统电极位置示意图除了脑电图仪之外，采集中还需要电极帽来获取头皮上微弱的电信号。电极帽上的标准银/氯化银（Ag/AgCl）电极被固定在预设位置，使用时向电极与头皮之间注入导电膏或者高浓度盐水，保证二者之间的接触电阻在5kΩ以下。电极安放位置根据研究目标各有不同，主要包括Gibbs法、Cohn法以及Montreal法等。目前应用最多的标准方法是国际脑电图学会推荐使用的10/20系统法，也就是Montreal法[27]。国际脑电图学会于1958年统一了世界各国的脑电记录系统电极安放位置标准，如图2-3（图片来源于网络）所示。目前的研究中更多导联的脑电帽也是根据此标准扩展得到。这种电极放置标准与大脑皮层的解剖关系是完全相符的，例如C3和C4电极就位于大脑中央沟上，F7和F8则位于外侧裂附近。10/20系统法的名称源自于在一横一纵两根标志线上电极之间的相对距离是整条标志线长度的10%或者20%。人体头部被两条标志线分为四个区域，其中从鼻根到枕外隆凸的连线是矢状线，从前到后共五个电极，除两端电极前额FPz和枕区Oz占全中线长的10%以外，其余三个电极Fz，Cz，Pz四等分中间区域，即各点间距为20%的全中线长。横向连接于两外耳道之间称之为冠状线，线上五个电极位置分布与矢状线完全相同。两条分界线相交于Cz电极，以此电极为圆心，和其它标志线上电极距离为半径画圆，可以得到全部有效电极的具体位置。而其余各个电极的数字后缀命名根据位置同样有规律可循，奇数代表此电极位于头部左半侧，反之偶数标号的电极都位于右侧，且两侧数字越靠近中央区域越校
【参考文献】：
期刊论文
[1]便携式BCI设备快速自动去眼电伪迹算法的研究[J]. 牛群峰,周季冬,王莉,惠延波. 自动化与仪表. 2019(02)
[2]脑电中眼电伪迹的自动识别与去除[J]. 李明爱,刘帆. 北京生物医学工程. 2018(06)
[3]离散小波变换结合二阶盲辨识的眼电伪迹自动去除方法[J]. 姚悦,丁永红,裴东兴. 科学技术与工程. 2018(22)
[4]无先验参考的脑电信号伪迹去除方法[J]. 陆竹风,张小栋,张黎明,张强. 机械与电子. 2017(04)
[5]改进独立分量算法的眼电伪迹去除方法研究[J]. 王灿锋,孙曜. 计算机工程与应用. 2018(04)
[6]眼电伪迹自动识别与去除的新方法[J]. 李明爱,郭硕达,田晓霞,杨金福,郝冬梅. 电子学报. 2016(05)
[7]基于二阶盲辨识结合小波包的脑电信号预处理[J]. 杨帮华,章云元,李华荣,张桃,段凯文. 上海交通大学学报. 2015(12)
[8]单通道脑电信号中眼电干扰的自动分离方法[J]. 吴明权,李海峰,马琳. 电子与信息学报. 2015(02)
[9]基于快速独立分量分析的脑电波信号降噪[J]. 刘珑,李胜. 计算机测量与控制. 2014(11)
[10]基于改进的矩匹配方法高光谱影像条带噪声滤波技术[J]. 韩玲,董连凤,张敏,吴静. 光学学报. 2009(12)
博士论文
[1]256导联高密度脑电源定位技术在癫痫外科的临床应用研究[D]. 冯睿.复旦大学 2014
[2]脑电信号中眼电伪迹去除方法研究[D]. 刘铁军.电子科技大学 2008
硕士论文
[1]64导联脑电信号分析系统的设计与研究[D]. 张萍萍.山东师范大学 2019
[2]基于自适应遗传算法优化的栈式稀疏自编码器的眼电伪迹去除模型[D]. 苏乃斐.浙江大学 2019
[3]海洛因成瘾戒断群体在MID任务中的奖赏期待与加工机制研究[D]. 周昱.兰州大学 2019
[4]基于脑电信号的海洛因成瘾戒断者的识别[D]. 郭肖瑜.兰州大学 2019
[5]海洛因成瘾戒断者风险决策及注意偏向的ERP源定位研究[D]. 李红倩.兰州大学 2018
[6]基于小波变换和卡尔曼滤波器的去眼电伪迹算法的研究[D]. 李洋.兰州大学 2016
[7]单导脑电信号伪迹去除算法的研究[D]. 李阳.兰州大学 2014
[8]基于眼电信号的眼部动作的分析与识别[D]. 袁廷中.杭州电子科技大学 2014
[9]便携式环境下基于离散小波变换和自适应滤波器的眼电去除模型[D]. 施秋霞.兰州大学 2013
[10]普适环境下基于静息态脑电的身份识别研究[D]. 刘泉影.兰州大学 2013
本文编号：3594209
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