颅脑损伤康复监测中的非线性动力学方法研究

摘要

大脑是人体最复杂的生理器官，其不但支配人的思维和行为，而且也是控制情绪和植物神经功能的最高神经中枢，这些神经活动对外反映在大脑皮层脑电信号的变化上，对于颅脑损伤所引起的不同程度的意识与认知障碍，也反应在脑电信号的特征参数的变化上。本论文研究的目的是期望以正常人和颅脑损伤病理病人样本的思维脑电信号为研究对象，以相关维值和复杂度两个非线性动力学指标为特征指标，探索正常样本和颅脑损伤病理样本脑电信号的非线性动力学指标在数值上的差异，探索病理样本在不同治疗与康复时期动力学指标的变化趋势与规律，为人体大脑的意识与认知功能评价、脑损伤诊断、损伤康复监测提供临床上初步的数字化参考指标。
　　 本研究以实验采集的各种样本在多个不同思维与意识状态下的脑电信号为分析对象，以非线性动力学为理论基础，以信号处理的理论与方法为手段，系统研究了动力学系统指标的计算方法、脑电信号的预处理方法、脑电信号的非线性指标的计算方法、样本数据的计算与分析等。本论文具体完成的研究工作主要包括：
　　 (1)深入研究了非线性动力学的理论，讨论了相关维值与Kolmogorov复杂性等非线性特征指标的特性与计算方法，并对相空间的重构参数和指标的各种计算参数的选择作了对比分析，给出了各个参数的参考确定标准，并编制了各指标的完整计算程序，实现了各动力学指标的计算。
　　 (2)从吸引子重构、散点图、功率谱特征和数值识别几方面论证了脑电时间序列的混沌特征，结果表明脑电信号具有典型的非线性特征，可以利用非线性指标来描述脑电信号。
　　 (3)设计了脑电信号采集时受试者思维与意识任务方案，并采集了不同样本组的临床原始脑电信号。利用数字滤波和小波变换实现了对脑电时间序列中的工频干扰、基线漂移、肌电干扰、心电干扰和眼动干扰等干扰信号的去除。利用思维脑电的阵发性理论实现了脑电信号与思维意识活动之间的同步分离，实现了对脑电信号的有效选段，从而获得可供实验分析的有效脑电数据，改善了分析结果的可靠性与正确性。
　　 (4)从相关维值D2计算过程中重构相空间点的高密度性入手，改进了传统G-P算法，大大提高了相关维值的计算速度，同时保证了计算结果的稳定性，并对原始算法及其改进算法的计算工作量进行推导和实验验证。提出了利用高阶复杂度来描述动力学系统特征的复杂性指标，有效降低了对时间序列字符化时信息的丢失，提高复杂度描述的精确性。
　　 (5)计算了不同样本在不同状态下的临床脑电数据的相关维值D2和复杂度指标Ck，并对计算结果作了不同状态、不同病理和大脑不同区域的对比分析，结果表明相关维值D2和复杂度Ck在不同性质的样本、大脑不同区域与不同状态下均存在明显的数值上的差异。
　　 在本论文涉及的研究工作中，主要的创新工作包括：
　　 (1)提出了利用脑电信号的非线性动力学参数来实现对颅脑损伤病人意识障碍程度的定量化评价方法，此方法与传统的评分评价方法相比，避免了评价需要丰富的临床医学知识和主观性强的缺点，并具有无创性、数值化与可操作性强等特点。
　　 (2)设计了脑电信号采集时受试者思维与意识任务的整套方案。在试验组中，根据初步的研究设计了五种实验任务，而在实验组中，设计了八种不同的思维与适宜任务。并在不同的思维与意识任务下，收集了所有的研究用原始脑电数据。
　　 (3)利用多种信号处理的方法与手段，剔除了脑电信号中的各种干扰噪声与伪迹，并实现了思维脑电信号的同步分离，提高了脑电信号分析与计算时的有效性，并利用重构相空间点的高密度性对脑电信号的相关维值的计算算法作了改进，在选择合适的时间间隔τ时，既提高了运算速度，又可以保证计算结果的稳定性。
　　 (4)给出了不同样本在不同状态下脑电信号的相关维值D2和复杂度Ck的分析结果。发现相关维值D2和复杂度Ck在描述脑电信号的动力学特征时具有相似的特征表现：人体大脑在进行复杂的思维与意识活动时，相关维值D2和复杂度Ck的数值比大脑在进行简单思维与意识活动时要大；正常人样本的相关维值D2和复杂度Ck的数值比同状态下病人样本的数值大；人体大脑的左右半球在相关维值D2和复杂度Ck的数值统计上也存在差异；颅脑损伤康复过程中，病人脑电信号的相关维值D2和复杂度Ck的数值也发生变化。这一结果在临床上用于对人体大脑功能的评价、大脑疾病与损伤的诊断、大脑疾病与损伤的康复监测等方面都具有重要的临床参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景

1.1.1颅脑损伤及意识与认知障碍评价

1.1.2脑损伤康复过程中的实时监测

1.2国内外研究现状

1.2.1脑功能评价与颅脑损伤检测

1.2.2脑损伤康复监测方法

1.2.3脑电信号及其在脑损伤康复监测中的初步应用

1.3课题研究的主要内容

1.3.1课题研究的目的与意义

1.3.2课题研究的主要内容

2非线性动力学系统及其特征参数

2.1非线性系统与非线性动力学

2.1.1非线性系统及其性质

2.1.2非线性动力学的内容、方法与意义

2.1.3非线性动力学的发展简史

2.2非线性动力学系统的特征识别

2.2.1混沌及其本质

2.2.2奇异吸引子

2.2.3相空间重构

2.2.4非线性动力学系统的数值方法

2.3非线性动力学系统特征参数

2.3.1相关维值

2.3.2复杂性测度

2.4本章小结

3实验设计与数据的采集

3.1引言

3.2实验系统设计

3.3实验方案设计

3.3.1试验实验方案设计

3.3.2验证实验方案设计

3.4实验环境与数据采集

3.4.1实验环境要求

3.4.2受试者要求

3.4.3实验数据数据采集

3.5本章小结

4脑电数据预处理与同步分离

4.1引言

4.2噪声对非线性时间序列特征参数的影响

4.2.1数值模拟参数的选择

4.2.2噪声对相关维值的影响

4.2.3噪声对复杂度参数的影响

4.3脑电信号的时-频分析

4.3.1功率谱分析

4.3.2小波变换

4.3.3小波包分析

4.4脑电信号的预处理

4.4.1原始脑电信号的初选

4.4.2脑电信号的分段

4.4.3工频干扰滤波

4.4.4脑电信号伪迹的祛除

4.5思维脑电的同步分离

4.5.1脑电信号的阵发性特征

4.5.2阵发性40Hz脑电的一致性检测

4.5.3检测信号的分离方法

4.5.4同步分离方法的实现

4.6本章小结

5脑电信号的非线性动力学方法

5.1引言

5.2脑电信号的非线性特性

5.2.1散点图法

5.2.2功率谱图法

5.3相关维值的估计

5.3.1脑电时间序列重构参数的选择

5.3.2相关维值计算参数的选择

5.4复杂度的计算

5.5本章小结

6临床实验数据分析

6.1引言

6.2试验样本组数据分析

6.3正常人样本组数据分析

6.4病人样本组数据分析

6.5不同样本组之间的结果对比

6.6颅脑损伤康复过程中的参数对比

6.7本章小结

7论文研究工作总结与展望

7.1论文工作的总结

7.2对今后工作的展望

致 谢

参考文献

附 录:作者在攻读学位期间发表的论文目录