基于谐波小波变换的脑电信号分析与特征提取研究

摘要

脑电信号蕴含着丰富的大脑活动信息，通过对脑电信号的有效分析和处理，可以从中提取出可靠的特征参量来反映不同的脑功能状态。脑电图检查具有安全无痛、经济方便等特点，已被广泛应用于神经生理科学研究和临床诊断中。例如，在评估人体的精神状态、脑和神经疾病的诊断与治疗、麻醉深度的监护、睡眠过程和质量的分析等方面，脑电图都扮演着重要角色。 本文应用最新发展起来的现代信号处理方法，以谐波小波为分析工具，主要研究了脑电信号的时频分布、基本节律变化等特征信息的提取，以期为临床脑电信号的自动识别与诊断提供新的辅助信息，为最终研制出高性能的脑电诊断和监护仪器提供有价值的理论参考。本文具体完成了以下三个方面的工作： (一)综述了脑电信号的基础知识，主要包括它的产生机理、数据采集、频带成分、研究的历史阶段，归纳了研究脑电的意义，评述了目前国内外脑电信号的研究动态和发展趋势。 (二)由于脑电是典型的非平稳时变信号，不同时刻的脑电信号或频谱特性直接反映大脑的不同功能状态，传统的傅立叶变换无法表征脑电信号的时频局域性质，时频联合分析才是描述其特征的有效工具。而谐波小波具有理想滤波特性和对频带的精确定位的优良性能，是一种很好的时频分析工具，特别适合分析和刻画脑电信号的特征。本文将临床上不同确诊病例的脑电数据，通过离散谐波小波变换得到了相应的三维时频图和时频等高线图，对仿真结果的分析表明：时频分析结果克服了以往谱分析的局限性，能够帮助医生更加全面客观地分析脑电信号，减小诊断结果对主观标准的依赖性，具有较好的临床应用价值。 (三)脑电中包含四种基本节律：δ、θ、α、β节律，不同类型的基本节律在不同生理条件下表现的特征不同，有效提取这些特征对于实现脑电定量分析具有重要作用。本文研究了基于离散谐波小波包方法精确提取脑电基本节律的问题，得到了两种反映节律特征的量化参数：即单个导联上各节律在某时刻的频带能量比例（FBER-S）和某一导联脑电信号在某一频段内的能量占所有导联在该频段内能量的百分比（FBER-A）。对临床病例数据分析表明，这两种特征参数呈现的特点与确诊病例的病症特点吻合得很好，说明它们能够作为临床诊断和长时程脑电监护的有效辅助诊断依据。