基于MATLAB的腦電信號(hào)處理研究

1、    基于matlab的腦電信號(hào)處理研究    王鵬摘 要：腦電活動(dòng)與腦狀態(tài)、腦區(qū)域有著密切的關(guān)系，是了解人腦信息處理過(guò)程的一種極為重要的形式，腦電信號(hào)eeg的研究是可以了解腦活動(dòng)機(jī)制、人類(lèi)的認(rèn)知過(guò)程和診斷腦疾患的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)人與外界通信的新途徑。關(guān)鍵詞：腦電信號(hào)eeg 自發(fā)腦電 誘發(fā)腦電：tp391.9 ：a ：1674-098x（2016）11（c）-0081-02腦科學(xué)的發(fā)展有著漫長(zhǎng)的歷史。1924年，beger首先記錄并分析了腦電圖，1933年，他的研究得到了英國(guó)著名生理學(xué)家e.d.adrian等人的肯定，從此腦電圖得到迅速的發(fā)展，先后出

2、現(xiàn)了多導(dǎo)聯(lián)常規(guī)腦電圖（自發(fā)腦電、誘發(fā)腦電）、睡眠腦電圖、動(dòng)態(tài)腦電圖、視頻腦電圖等檢測(cè)方法，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了臨床應(yīng)用方面。1 腦電信號(hào)的基礎(chǔ)知識(shí)1.1 腦電信號(hào)與腦電圖大腦皮層由150億個(gè)各種形態(tài)的神經(jīng)元及其復(fù)雜的纖維聯(lián)系所組成。神經(jīng)元不僅在興奮時(shí)伴有電位變化同時(shí)在抑制時(shí)或靜止時(shí)也存在著電位現(xiàn)象。我們把腦神經(jīng)細(xì)胞的放電現(xiàn)象稱(chēng)為腦電，腦電活動(dòng)是腦內(nèi)大量神經(jīng)元活動(dòng)的綜合表現(xiàn)。腦電按頻率劃分主要有波、波、波、波等。1.2 腦電信號(hào)的分類(lèi)研究中的腦電信號(hào)可以分為兩類(lèi)：自發(fā)電位、誘發(fā)電位。自發(fā)電位是一些特定的腦電成分，如，特殊皮層位置的特定腦電頻率，它產(chǎn)生于正常腦功能過(guò)程中，與外部刺激無(wú)關(guān)；誘發(fā)電位是通

3、過(guò)刺激產(chǎn)生的腦電信號(hào)，比如：由特定刺激誘發(fā)，通過(guò)潛伏期、幅度和位置識(shí)別的eeg波形。2 相干平均法2.1 相關(guān)的基本概念（1）隨機(jī)信號(hào)：在信號(hào)處理領(lǐng)域中，把信號(hào)分為確定性信號(hào)和隨機(jī)性信號(hào)兩大類(lèi)型。（2）噪聲：通常人們處理信號(hào)是為了尋找某個(gè)特定的規(guī)律。（3）非平穩(wěn)過(guò)程：生物體具有適應(yīng)外界環(huán)境的能力，當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)，生物系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)整，信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性會(huì)隨之改變，造成了生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的非平穩(wěn)性質(zhì)。凡是不具備平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程概率屬性的隨機(jī)過(guò)程被稱(chēng)為非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。（4）無(wú)偏和一致的估計(jì)：平穩(wěn)信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的最基本的內(nèi)容，其中評(píng)價(jià)估值的質(zhì)量是一個(gè)很重要的工作。2.2 相干平均法多

4、個(gè)實(shí)測(cè)信號(hào)樣本以時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊，再將與同一時(shí)間對(duì)應(yīng)的各樣本數(shù)據(jù)求和平均，即可確定誘發(fā)響應(yīng)的估值曲線，這種估計(jì)方法稱(chēng)為相干平均技術(shù)或同步平均技術(shù)。各次記錄的時(shí)間起點(diǎn)取為施加刺激瞬間，累加在時(shí)間起點(diǎn)對(duì)齊后進(jìn)行，稱(chēng)相干平均。3 matlab的基本知識(shí)matlab是用來(lái)提供與linpack和eispack矩陣軟件接口的，后來(lái)逐漸地發(fā)展為具有通用科技計(jì)算、圖形交互系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的、國(guó)際公認(rèn)的、最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。其典型應(yīng)用包括數(shù)學(xué)計(jì)算、建模和仿真模擬、工程圖形的繪制等重要方面。與其他高級(jí)語(yǔ)言相比，matlab提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)環(huán)境，并以矩陣作為基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大大地節(jié)省了編程時(shí)間。它語(yǔ)法

5、規(guī)則簡(jiǎn)單、容易掌握、調(diào)試方便。從1987年推出的matlab 3.0版本到最新版本matlab 7.0，其功能不斷地加強(qiáng)，軟件與外界環(huán)境的聯(lián)系途徑加強(qiáng)了，同時(shí)代碼生成工具也有了重大改進(jìn)，使用更加便捷。4 基于matlab的腦電信號(hào)處理分析4.1 p300誘發(fā)試驗(yàn)規(guī)律腦電誘發(fā)試驗(yàn)的45次循環(huán)是有規(guī)律的。每個(gè)循環(huán)過(guò)程都是依次隨機(jī)點(diǎn)亮試驗(yàn)系統(tǒng)中的六行六列，先點(diǎn)亮行，再點(diǎn)亮列。4.2 腦電信號(hào)的處理數(shù)據(jù)處理是該設(shè)計(jì)的主要工作，即對(duì)每一個(gè)導(dǎo)聯(lián)電極采集到的45次循環(huán)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于pz、fz、cz三個(gè)導(dǎo)聯(lián)電極處采集到的p300最為明顯，所以只需要選擇這三個(gè)電極的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理。以下敘述以pz導(dǎo)聯(lián)采集

6、到的數(shù)據(jù)為例。4.3 matlab軟件的基本運(yùn)算功能4.3.1 矩陣的創(chuàng)建在matlab中可以采用多種不同的方法來(lái)創(chuàng)建矩陣，有4種方法，如下所述。（1）直接輸入法。當(dāng)需要的矩陣維數(shù)比較小時(shí)，從鍵盤(pán)上直接輸入一系列的矩陣元素是最直接、最方便的數(shù)值矩陣的創(chuàng)建方法。（2）利用函數(shù)創(chuàng)建。提供了大量的函數(shù)用于創(chuàng)建一些特殊的矩陣及其派生矩陣，利用這些矩陣函數(shù)可以生成需要的特殊矩陣。（3）矩陣編輯器法等矩陣創(chuàng)建方法。該方法適用于建立較大的矩陣，可使用矩陣編輯器來(lái)創(chuàng)建和修改矩陣。（4）從外部數(shù)據(jù)文件中調(diào)入矩陣。在matlab中還可以從外部數(shù)據(jù)文件中讀入數(shù)據(jù)生成矩陣。4.3.2 矩陣的保存和提?。?）matla

7、b保存數(shù)據(jù)。matlab用mat文件保存二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。如果有大量的矩陣或是較為重要的數(shù)據(jù)需要用矩陣的形式保存和再次使用時(shí)，就需要進(jìn)行矩陣的保存和提取?？梢杂胢at文件來(lái)保存和提取矩陣。（2）matlab當(dāng)中特殊運(yùn)算符冒號(hào)。matlab當(dāng)中特殊運(yùn)算符冒號(hào)“：”也有著很強(qiáng)大的作用。使用冒號(hào)也能夠從向量、矩陣和數(shù)組中選出指定的元素、行或列。5 結(jié)語(yǔ)該設(shè)計(jì)根據(jù)相干平均法利用matlab軟件對(duì)采集到的腦電信號(hào)進(jìn)行處理、分析、研究，從而提取到誘發(fā)電位。相干平均法是腦電信號(hào)處理的最基本的一種方法，其算法簡(jiǎn)單，能刻畫(huà)大腦不同部位的活動(dòng)在節(jié)律上的一致性，但是不能取得大腦活動(dòng)的瞬態(tài)特性?？茖W(xué)技術(shù)的應(yīng)用，微觀與宏觀

8、相結(jié)合，多學(xué)科的相互滲透，使人類(lèi)能夠更準(zhǔn)確地分析研究腦電信號(hào)，掌握大腦的活動(dòng)，bci系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。從腦電信號(hào)中提取與心理任務(wù)相關(guān)的模式成為可能，腦-機(jī)交互研究更是一種新的研究趨勢(shì)。基于腦電的bci系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)或短時(shí)提取分析出腦電中的反映大腦不同狀態(tài)的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。值得提出的是，目前通過(guò)腦電直接讀取出人正在進(jìn)行的各種思維活動(dòng)還不現(xiàn)實(shí)，bci是使人產(chǎn)生容易被解釋的腦電，然后識(shí)別出這種腦電，做出不同的選擇或發(fā)出不同指令。為解讀大腦思維模型和意識(shí)形成機(jī)制提供嶄新的研究渠道與方法。bci技術(shù)成果將為腦認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)信息學(xué)研究開(kāi)啟新視窗，并極大地豐富其研究?jī)?nèi)容。參考文獻(xiàn)1 譚郁玲，侯沂.臨床

9、腦電圖與腦電地形圖學(xué)m.北京：人民衛(wèi)生出版社，1999.2 李繼碩.神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，2002.3 于潤(rùn)偉.matlab基礎(chǔ)及應(yīng)用m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.4 張志涌.matlab教程：基于6.x版本m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.5 蘇金明，王永利.matlab7.0實(shí)用指南m.北京：電子工業(yè)出版社，2004.6 張平.matlab基礎(chǔ)與應(yīng)用簡(jiǎn)明教程m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.7 李麗，王振領(lǐng).matlab工程計(jì)算及應(yīng)用m.北京：人民郵電出版社，2001.8 蘇繞生.掌握matlab6.0及其工程應(yīng)用m.北京：科學(xué)出版社，2002.9 周金萍.matlab6.實(shí)踐與提高m