基于MATLAB的腦電信號處理研究

1、    基于matlab的腦電信號處理研究    王鵬摘 要：腦電活動與腦狀態(tài)、腦區(qū)域有著密切的關(guān)系，是了解人腦信息處理過程的一種極為重要的形式，腦電信號eeg的研究是可以了解腦活動機制、人類的認知過程和診斷腦疾患的重要手段，也是實現(xiàn)人與外界通信的新途徑。關(guān)鍵詞：腦電信號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、動態(tài)腦電圖、視頻腦電圖等檢測方法，研究的重點轉(zhuǎn)移到了臨床應(yīng)用方面。1 腦電信號的基礎(chǔ)知識1.1 腦電信號與腦電圖大腦皮層由150億個各種形態(tài)的神經(jīng)元及其復(fù)雜的纖維聯(lián)系所組成。神經(jīng)元不僅在興奮時伴有電位變化同時在抑制時或靜止時也存在著電位現(xiàn)象。我們把腦神經(jīng)細胞的放電現(xiàn)象稱為腦電，腦電活動是腦內(nèi)大量神經(jīng)元活動的綜合表現(xiàn)。腦電按頻率劃分主要有波、波、波、波等。1.2 腦電信號的分類研究中的腦電信號可以分為兩類：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)生于正常腦功能過程中，與外部刺激無關(guān)；誘發(fā)電位是通

3、過刺激產(chǎn)生的腦電信號，比如：由特定刺激誘發(fā)，通過潛伏期、幅度和位置識別的eeg波形。2 相干平均法2.1 相關(guān)的基本概念（1）隨機信號：在信號處理領(lǐng)域中，把信號分為確定性信號和隨機性信號兩大類型。（2）噪聲：通常人們處理信號是為了尋找某個特定的規(guī)律。（3）非平穩(wěn)過程：生物體具有適應(yīng)外界環(huán)境的能力，當外界環(huán)境改變時，生物系統(tǒng)的參數(shù)會自動調(diào)整，信號的統(tǒng)計特性會隨之改變，造成了生物醫(yī)學(xué)信號的非平穩(wěn)性質(zhì)。凡是不具備平穩(wěn)隨機過程概率屬性的隨機過程被稱為非平穩(wěn)隨機過程。（4）無偏和一致的估計：平穩(wěn)信號統(tǒng)計特性的估計是生物醫(yī)學(xué)信號處理的最基本的內(nèi)容，其中評價估值的質(zhì)量是一個很重要的工作。2.2 相干平均法多

4、個實測信號樣本以時間基準點對齊，再將與同一時間對應(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，這種估計方法稱為相干平均技術(shù)或同步平均技術(shù)。各次記錄的時間起點取為施加刺激瞬間，累加在時間起點對齊后進行，稱相干平均。3 matlab的基本知識matlab是用來提供與linpack和eispack矩陣軟件接口的，后來逐漸地發(fā)展為具有通用科技計算、圖形交互系統(tǒng)和程序設(shè)計語言的、國際公認的、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。與其他高級語言相比，matlab提供了一個人機交互的數(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)省了編程時間。它語法

5、規(guī)則簡單、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，軟件與外界環(huán)境的聯(lián)系途徑加強了，同時代碼生成工具也有了重大改進，使用更加便捷。4 基于matlab的腦電信號處理分析4.1 p300誘發(fā)試驗規(guī)律腦電誘發(fā)試驗的45次循環(huán)是有規(guī)律的。每個循環(huán)過程都是依次隨機點亮試驗系統(tǒng)中的六行六列，先點亮行，再點亮列。4.2 腦電信號的處理數(shù)據(jù)處理是該設(shè)計的主要工作，即對每一個導(dǎo)聯(lián)電極采集到的45次循環(huán)的數(shù)據(jù)進行處理。由于pz、fz、cz三個導(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電極的數(shù)據(jù)分別進行處理。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創(chuàng)建矩陣，有4種方法，如下所述。（1）直接輸入法。當需要的矩陣維數(shù)比較小時，從鍵盤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，就需要進行矩陣的保存和提取?？梢杂胢at文件來保存和提取矩陣。（2）matlab當中特殊運算符冒號。matlab當中特殊運算符冒號“：”也有著很強大的作用。使用冒號也能夠從向量、矩陣和數(shù)組中選出指定的元素、行或列。5 結(jié)語該設(shè)計根據(jù)相干平均法利用matlab軟件對采集到的腦電信號進行處理、分析、研究，從而提取到誘發(fā)電位。相干平均法是腦電信號處理的最基本的一種方法，其算法簡單，能刻畫大腦不同部位的活動在節(jié)律上的一致性，但是不能取得大腦活動的瞬態(tài)特性。科學(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，使人類能夠更準確地分析研究腦電信號，掌握大腦的活動，bci系統(tǒng)的研究逐漸成為熱點。從腦電信號中提取與心理任務(wù)相關(guān)的模式成為可能，腦-機交互研究更是一種新的研究趨勢?；谀X電的bci系統(tǒng)，通過實時或短時提取分析出腦電中的反映大腦不同狀態(tài)的信號來實現(xiàn)控制。值得提出的是，目前通過腦電直接讀取出人正在進行的各種思維活動還不現(xiàn)實，bci是使人產(chǎn)生容易被解釋的腦電，然后識別出這種腦電，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形成機制提供嶄新的研究渠道與方法。bci技術(shù)成果將為腦認知科學(xué)和神經(jīng)信息學(xué)研究開啟新視窗，并極大地豐富其研究內(nèi)容。參考文獻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 于潤偉.matlab基礎(chǔ)及應(yīng)用m.北京：機械工業(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.實踐與提高m