基于混沌理论的生物电信号分析研究

摘要

上世纪60代以来，随着微电子集成电路的迅猛发展，各种电子信息系统也开始发展起来，对于信号的检测、估计和滤波等方面建立了一系列基础理论和方法。信息处理理论的发展反过来也推动了集成电子电路技术的发展。
　　 先进的电子计算机系统为复杂信号的处理的实现提供可能，信号处理的研究不仅限于一般的理论研究和方法探讨，也更多地注重实现技术。新的信号处理理论与先进的电子计算机相结合，实现了以往无法实现信息处理技术。现代信号处理进入了一个新的发展时期，新的理论方法、新的技术手段层出不穷。信号处理的应用领域不断扩大，促使信号处理理论和实际应用技术在更高层面上的到了完美地结合，传统方法难以想象的技术得以实现。
　　 非线性混沌理论被誉为上世纪继相对论、量子力学后，人类科学领域中的第三次革命。非线性混沌理论以新的思维方式和崭新的理论方法诠释了自然现象中的规律、特征。本论文首先对非线性混沌理论做了深入的阐述和理解，以此理论为基础，系统地研究了脑电信号与心电信号(临床应用最多的两种生物信号)的非线性动力学分析方法。论文的研究工作表明非线性动力学参数可以作为认知状态下脑电信号和心律变异信号的特征参数。论文的主要工作与成果包括：
　　 ①针对脑电信号和心率变异信号，系统地研究了非线性动力学指标参数的计算方法，论证了相空间重构的可能性和实现相关维值计算的可行性，解决了计算嵌入维值时延迟时间和数据长度的选择问题。分析了传统G-P算法的存在的不足，提出了一种改进算法，该方法将分数维值的计算速度提高了5个数量级，极大地缩短了计算时间，使得分数维值参数作为临床分析指标成为可能。同时利用重采样技术降低采样频率，在保持参数信息基本不变的条件下，减小了计算的数据量。研究成果为非线性动理学理论在临床生物电信号处理中的应用提供了良好的技术手段。
　　 ②针对临床脑电信号采集过程中可能存在的干扰信号的特征，如工频干扰、眼动、肌电干扰、心电干扰，设计了一种基于ICA的时空滤波器，该滤波器分两个阶段对脑电信号进行滤波预处理：第一个阶段是时域滤波，用传统的带通滤波器实现，实现对初始信号的“粗滤”；第二个阶段是空域滤波，用基于独立分量分析(ICA)的空域滤波器实现。实验表明该滤波器能够有效地抑制了临床脑电信号中的常见干扰。
　　 ③应用40Hz脑电信号作为思维状态的特征信号，对思维状态下的脑电信号进行了分析和研究，解决了非线性分析的有效数据选择问题使得分析结果更为合理和可靠，得出了有益结果。通过临床试验研究表明正常人不同状态下、左右半脑、以及不同年龄段的人认知过程中的40HzERP值不同，40Hz脑电信号能够反映大脑的思维变化规律，可以作为临床大脑思维分析的一种手段。
　　 ④运用非线性混沌理论对认知状态下的脑电信号进行了分析研究，通过计算脑电信号的分数维值、Lyapunov指数、Kolmogorov复杂度等多项非线性动力学参数，研究正常人在不同的思维过程中或病人在病理状态下这些参数的变化规律，研究具有认知功能障碍的人在思维过程中这些参数的变化规律，找出正常人与认知功能障碍患者的特征指标，从而实现对认知功能客观评价方法；进行临床研究，提出具有临床应用价值的大脑认知功能客观评价方法。临床试验表明分数维值在人脑不同的认知过程中也会呈现不同变化，通过统计分析找出其变化规律，可有助于对人脑思维的分析。
　　 ⑤运用非线性混沌理论对心率变异信号进行了分析研究，研究了HRV信号的分数维数，Lyapunov指数和Kolmogorov复杂度的临床意义。通过药物注射临床试验和心脏病与脑卒中患者的HRV临床数据分析，研究非线性动力学参数的临床意义，结果表明非线性动力学参数可以作为HRV临床分析的重要参考依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出

1.1.1脑电信号与思维过程

1.1.2心电信号与心率变异信号

1.2非线性动力学理论

1.3论文的主要工作及意义

2基于非线性混沌理论的改进算法研究

2.1重构状态空间理论

2.2分数维值

2.2.1分数维值改进算法

2.2.2算法改进前后的效果对比

2.3 Lyapunov指数

2.4 Kolmogorov复杂度

2.4.1 C1、C2复杂性

2.4.2高阶复杂性

2.5小结

3脑电信号的预处理

3.1脑电干扰信号特征与常用处理方法

3.2脑电信号的时空滤波器设计

3.2.1整体原理图

3.2.2时域滤波

3.3空域滤波

3.3.1 ICA的基本理论

3.3.2 ICA空域滤波原理

3.4临床脑电信号时空去嗓实例

3.4.1心电伪迹的去除

3.4.2眼动、肌电、心电等噪声的同步去除

3.5小结

4基于非线性混沌理论的脑电信号的分析方法

4.1脑电信号的分析方法

4.1.1传统分析方法

4.1.2认知过程的脑电信号的研究现状

4.2认知过程中40Hz脑电相关信号的研究

4.2.1实验方案

4.2.2实验数据分析

4.2.3实验结论

4.3认知过程脑电信号的分数维值分析

4.3.1分析方法

4.3.2嵌入维数对相关维值的影响

4.3.3延迟时间的分析

4.4小结

5心率变异信号的预处理

5.1心率变异性信号概述

5.2心电信号预处理

5.2.1基于自适应滤波的工频干扰和基线漂移消除

5.2.2基于等纹波滤波器的高频干扰消除

5.2.3基于中值滤波的脉冲干扰消除

5.3 R点标定

5.4 RR间期的均匀采样问题

5.5本章小结

6心率变异信号分析

6.1心率变异信号的时频域分析方法

6.2临床实验设计

6.3心率变异信号的时域和频域分析

6.4心率变异信号的非线性动力学分析

6.4.1药物实验组HRV信号非线性动力学分析

6.4.2病例对比组的相关维值分析

6.4.3脑卒中患者HRV信号相关维值分析

6.5本章小结

7总结与展望

致 谢

参考文献

附 录：作者在攻读博士期间发表论文目录