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基于参考电极标准化技术的听觉诱发电位检测方法研究

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基于参考电极标准化技术的听觉诱发电位检测方法研究

作者：刘珍珍重庆理工大学

学位级别：硕士

听觉诱发电位(ABR)是在特定声音刺激下通过置于头皮的电极采集到的诱发电位,可以反映听神经和脑干的功能状况。ABR共有5～7个波峰,每个波峰对应听觉系统的不同解剖位置。当人的听觉系统出现病变时,会通过ABR的波形表现出来,因此它在临... 详细信息

听觉诱发电位(ABR)是在特定声音刺激下通过置于头皮的电极采集到的诱发电位,可以反映听神经和脑干的功能状况。ABR共有5～7个波峰,每个波峰对应听觉系统的不同解剖位置。当人的听觉系统出现病变时,会通过ABR的波形表现出来,因此它在临床应用中具有重要意义。在脑电的研究和应用中,诱发电位(EP)和自发脑电(EEG)的组成成分是通过波形、潜伏期、极性和皮层分布区域等特征变化来描述的,而这些特征值的幅度都需要一个零电位点作为参考来确定。但是,无论是头部电极还是非头部电极,都没有绝对的零电位点。参考点的电位活动会影响脑电信号的时域分析和频谱分析。因此,参考电极的选择一直是EEG/EP研究中的关键。本文对比了在EEG/EP研究中常用的参考方法平均参考(AR)、数字连接乳突参考(MM)以及一种以数学方法设计的参考方法,即参考电极标准化技术(REST)等三种参考方法对听觉诱发电位(ABR)的波形形态、潜伏期和振幅等的影响。ABR的波形形态、潜伏期和振幅受各种因素的影响,对听力正常受试者来说,改变刺激声强度和刺激率都会引起ABR波形的变化。本文主要研究对比了平均参考、连接乳突参考和REST参考对不同刺激条件下的ABR波形的影响,并且通过波形分析和脑电地形图等方式对比了不同脑区的ABR的形态、振幅和分布特征等。由于ABR属于短潜伏期电位,发生在刺激后的10ms内,对刺激声与触发信号的同步性要求高,本文采用课题组设计的一款刺激生成模块,该模块由基于MATLAB的平台来控制,可以实现刺激条件和刺激呈现次数更可控。研究结果表明,数字连接乳突得到的I、III、V波的振幅最大,其次是REST参考,得到振幅最小的是平均参考。用数字连接乳突参考和REST参考得到的ABR波形形态都较平均参考得到的好。随着刺激率的增加,V波的潜伏期延长,刺激率越低,波形分化越好。随着刺激强度的降低,潜伏期向后移,波形形态变差。在单通道采集ABR时,科研人员或者临床工作者通常选择的是FPz通道或者Cz通道,因此在对单个通道进行讨论时优先选择的是中线上的电极,而实验结果发现中线上电极的ABR波形的确表现出良好的波形形态,尤其是靠近颅顶的Cz通道,其波形的分化以及重复性都较强。参考方法的选择对ABR的振幅有一定的影响,但不改变其潜伏期和振幅的变化规律。REST参考与数字连接乳突得到的波形的形态相似且分化都较好。同时,REST参考在听阈探索方面也有很好的效果。实际应用中,数字连接乳突方法假设乳突处的电位为零,但实际上,该处很难保持在这个假设基础之上。而REST参考方法通过重建头模型,把头皮上一点为参考的电位转化为无穷远的一点为参考的电位,不会受到头部电活动的影响。因此,采用REST参考方法对诱发脑电等研究容易获得更为真实的脑电信号。

关键词：听觉诱发电位参考电极标准化技术波形形态潜伏期振幅

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不同参考电极对脑电头皮电位质心计算的影响

中国生物医学工程学报 2010年第1期29卷 29-34页

作者：熊红川徐鹏秦云尧德中电子科技大学生命科学与技术学院神经信息教育部重点实验室成都610054

在脑电头皮电位的测量技术中,零参考点的选取一直是一个争论的焦点,研究人员都希望找到一个可行的通用参考零点,以方便研究成果间的比较和借鉴。针对脑电头皮电位质心的计算问题,用仿真和实际数据计算比较了平均参考、连接耳参考、头顶... 详细信息

在脑电头皮电位的测量技术中,零参考点的选取一直是一个争论的焦点,研究人员都希望找到一个可行的通用参考零点,以方便研究成果间的比较和借鉴。针对脑电头皮电位质心的计算问题,用仿真和实际数据计算比较了平均参考、连接耳参考、头顶参考和新近出现的近似零参考技术(REST)方法的差异,结果表明,采用REST可使得电位质心的计算误差在多数情况下更小。说明在进行质心等与脑电波形相关的计算时,采用近似的REST可以获得更为真实的计算结果。

关键词：脑电电位质心参考电极参考电极标准化技术

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虚拟现实视觉体验对事件相关电位影响的研究

信号处理 2018年第8期34卷 952-962页

作者：徐桂芝王宁张天恒王磊郭苗苗省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300132

虚拟现实技术具有广阔应用前景,但它对大脑信息处理及认知影响尚不清楚。本文结合头皮脑电,设计了平面和虚拟现实两种模式的视觉任务,对比分析虚拟现实对事件相关电位(ERP)的影响,探索沉浸式视觉体验过程中大脑的认知加工过程。参考电... 详细信息

虚拟现实技术具有广阔应用前景,但它对大脑信息处理及认知影响尚不清楚。本文结合头皮脑电,设计了平面和虚拟现实两种模式的视觉任务,对比分析虚拟现实对事件相关电位(ERP)的影响,探索沉浸式视觉体验过程中大脑的认知加工过程。参考电极的选择是研究事件相关电位的关键,为获得更客观的脑电信息,本文首先使用参考电极标准化技术将记录的脑电信号的参考近似转换为理想的零点,经过必要的预处理,再采用叠加平均的方法从中提取ERP。结果发现,与平面模式相比,在虚拟现实模式下ERP成分中没有出现显著的P300成分,这可能与大脑产生疲劳感相关;虚拟现实模式下N100成分的潜伏期提前、幅值增大,反映了虚拟现实环境更容易引起注意,并使人产生沉浸感。

关键词：虚拟现实脑电事件相关电位参考电极标准化技术

零参考对空间约束下ERP信号处理影响的仿真研究

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零参考对空间约束下ERP信号处理影响的仿真研究

作者：付饶大连理工大学

学位级别：硕士

在脑电(Electroencephalography,EEG)的采集过程中,参考电极的设置是必不可少的,现有脑电实践中所采用的参考方式大多是活动参考,导致着脑电信号采集的不准确。参考电极标准化技术(Reference electrode standardization technique,REST... 详细信息

在脑电(Electroencephalography,EEG)的采集过程中,参考电极的设置是必不可少的,现有脑电实践中所采用的参考方式大多是活动参考,导致着脑电信号采集的不准确。参考电极标准化技术(Reference electrode standardization technique,REST)的出现使得人们对零参考的探索成为了可能。关于REST的效果,目前已有大量的文章从脑电研究的不同领域对其进行了细致的分析研究,众多的研究结果均表明,REST零参考的参考误差的确明显小于其他参考,且对于空间脑地形图有很好的改善,在很多应用情况下比其他参考更加准确。事实上,信号采集的不准确也不可避免地会影响到脑电数据的处理过程以及最终的结果分析,而以往的零参考研究中尚未有人探讨过REST对于脑电信号处理方法的影响,因此,本论文针对REST零参考能够改善事件相关电位(Event-Related Potential,ERP)空间脑地形图的这一特点,同时借助8种不同噪声等级下的仿真ERP数据,将平均参考(Average,AVG)、连接耳参考(Linked Mastoids,LM)和REST这三种参考方式下ERP仿真数据经过K均值聚类(K-means Clustering)、主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)加Promax旋转以及信息极大化(Infomax)的独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)这三种方法处理后得到的处理结果进行了对比。结果表明:ERP的聚类方法受噪声的影响不大,该方法中REST零参考的聚类结果较好且更稳定,对于噪声较强、信号质量较差情况下的ERP数据,适合通过REST零参考结合ERP聚类的方式来提取ERP成分;PCA+Promax方法容易受噪声影响,在低噪声等级、高信噪比的情况下,AVG参考和REST零参考的分解结果较好,对于信号质量很好的ERP数据,REST零参考或AVG参考与PCA+Promax方法相结合的处理方式对于ERP成分的提取比较有优势;两种矩阵分解方法中,Infomax ICA的表现不如PCA+Promax,且AVG参考和REST零参考在该处理方法中并没有体现出优势;LM参考在三种方法的处理中得到的结果均是最差的,且相比于其他两种参考方式其受噪声的影响也明显更大。

关键词：参考电极标准化技术事件相关电位 K均值聚类主成分分析加旋转独立成分分析

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脑电全脑信号及其在睡眠中的应用

脑电全脑信号及其在睡眠中的应用

作者：黄小利西南大学

学位级别：硕士

静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging,resting-state fMRI)的全脑信号(global signal,GS)描述了安静状态下的全脑自发神经活动的波动,为表征和理解整个大脑的活动提供了依据。越来越多的证据表明功... 详细信息

静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging,resting-state fMRI)的全脑信号(global signal,GS)描述了安静状态下的全脑自发神经活动的波动,为表征和理解整个大脑的活动提供了依据。越来越多的证据表明功能磁共振全脑信号不止包含了噪声,还包含有许多神经生理信息。但是脑电(Electroencephalogram,EEG)作为神经活动的直接测量,却从来没有指标从全脑的角度来反映大脑的电生理活动。如果存在脑电的全脑信号,它将同功能磁共振全脑信号一样,为理解大脑的功能提供一种新的研究工具和角度。本研究首先定义了一种全新的脑电信号,脑电全脑信号。它通过头表脑电的参考电极标准化技术(Reference electrode standardization technique,REST)计算获得,能反映全脑的平均电生理活动。本研究我们进行了两个实验对脑电全脑信号及其在睡眠中的应用进行初步探究。研究一采用同步EEG-fMRI技术,收集了24位健康大学生的静息态数据,然后计算了每个受试者的脑电全脑信号和功能磁共振全脑信号,并对两者之间的相关关系进行探究。结果发现,脑电全脑信号的高频γ频段(30-45 Hz)同功能磁共振全脑信号正相关,低频(4-20 Hz)上则存在负相关关系。研究二采集了14位健康大学生的100分钟左右的午睡睡眠脑电数据,探究脑电全脑信号在不同睡眠时相中频谱和电生理事件上的差异。既然脑电全脑信号是全脑电活动的指标,我们推测它在刻画全脑警觉性方面将有独特优势。我们分别计算了清醒期、睡眠1期、睡眠2期、睡眠3期下的脑电功率谱。因为纺锤波在长期记忆的睡眠促进记忆巩固过程中发挥了关键作用并且是刻画个体差异的有效指标,我们还对脑电全脑信号中的特征波睡眠纺锤波进行了分析。结果发现,脑电全脑信号的低频(δ和θ)能量随着睡眠深度的增加而增加,并且在大脑不同的状态下的差异显著。男性和女性的脑电全脑信号纺锤波在数量上并不存在显著差异。此外,我们还发现睡眠纺锤波的发放从数量上来看以局部纺锤波为主,但是也存在全脑纺锤波。它的时空模式具有局部和全脑双重属性。而脑电全脑信号则从头皮脑电的角度验证了纺锤波全脑模式的存在,最容易形成纺锤波全脑性模式的区域是靠近双侧耳垂的颞叶、靠近中央沟的顶叶和额叶。本研究受到功能磁共振全脑信号的启发,定义了一导全新的信号作为脑电的全脑活动指标。该信号基于参考电极标准化技术,可以从头皮脑电的角度来表征整个大脑的平均电生理活动。通过探究脑电全脑信号和功能磁共振全脑信号的关系,我们发现二者存在非常紧密的联系。该结果表明,脑电和功能磁共振全脑信号可能在神经起源上是统一的,脑电全脑信号可以反映功能磁共振全脑信号的电生理特征。这预示着脑电全脑信号可能成为神经精神疾病和其他脑疾病的一种新的电生理标志物,从而为临床诊断带来更多参考信息。通过对不同睡眠时相下的脑电全脑信号的探究,我们发现脑电全脑信号基本保留了慢波成分和纺锤波成分,但与从单个电极上获得的信息存在很大差别。只有当纺锤波达到一定发放规模,才会在脑电全脑信号上表现为纺锤波放电。因为纺锤波与睡眠记忆巩固的关系非常密切,基于脑电全脑信号的纺锤波分型,有望在未来关于睡眠促进记忆巩固的神经基础研究中发挥重要作用。

关键词：全脑信号同步EEG-fMRI 参考电极标准化技术睡眠纺锤波

脑电信号中眼电伪迹去除与参考电极选取方法研究

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脑电信号中眼电伪迹去除与参考电极选取方法研究

作者：李佳庆太原理工大学

学位级别：硕士

通过放置在头皮上的电极可以记录来自脑细胞群的自发性、节律性电活动,这就是常说的头皮脑电图,因为这种检测方法对人体没有伤害,所以被应用于很多科研领域,如神经心理学、认知神经科学,目前结合信号与信息处理中的方法来深度挖掘其中... 详细信息

通过放置在头皮上的电极可以记录来自脑细胞群的自发性、节律性电活动,这就是常说的头皮脑电图,因为这种检测方法对人体没有伤害,所以被应用于很多科研领域,如神经心理学、认知神经科学,目前结合信号与信息处理中的方法来深度挖掘其中的隐含信息。但随机性强、节律种类多、时间敏感度高这是脑电信号的软肋,这导致脑电信号极易被各种噪声污染从而产生大量伪迹,采集后如不经过预处理会给后续的分析带来干扰和误导。因此,如何对脑电信号进行预处理,具有重要的理论和实际意义。本文就预处理过程中的眼电伪迹去除和参考电极选取两个方面做了详尽研究。眼电信号作为参考计算是传统眼电伪迹去除方法的基础,这势必会在采集过程中掺杂其他噪声,且需要手工识别,为了达到自动识别并去除眼电伪迹的目的,提出一种基于FastICA的眼电伪迹自动去除方法。该方法通过FastICA方法提取出信号的各独立成分,计算出信号的GFP(global field power)值,再计算各独立成分与GFP值的相关系数。通过比较,绝对值最大的相关系数对应的独立成分即为眼电伪迹的独立成分,最后置零该独立成分重构干净脑电信号,实现眼电伪迹的自动去除。在此基础上提出一种去除过估计问题的方法,有效防止脑电信号中信息的丢失,保留了有用信息。使用实验室自己采集的脑电数据进行验证,结果表明:该方法在保留有用脑电信息的前提下,能有效自动识别并去除眼电伪迹。参考电极标准化技术(REST)提出以来已被广泛应用到脑电信号的采集与分析领域,通过这种方法可以将基于某点或平均参考电极的电势值转换为以空间上无限远点为参考的电势值,即零参考电极。本文基于小波包方法,选取节点能量、节点能量概率、小波包熵以及σ、θ、α、β四个频段的能量为特征,在两组数据中对零参考电极和平均参考电极方法在分类准确率上进行了比较,证实了参考电极标准化技术在实际应用中的可靠性。

关键词：脑电信号伪迹去除独立成分分析参考电极标准化技术小波包分析