腦電信號分析方法及其應(yīng)用

前言

　　人類在科學(xué)研究的征途中，從來就沒有停止過對自身的研究。21世紀(jì)被世界科學(xué)界公認(rèn)為是生物科學(xué)和腦科學(xué)的時(shí)代。在全球性腦研究計(jì)劃的推動下，對人腦語言、記憶、思維、學(xué)習(xí)和注意等高級認(rèn)知功能進(jìn)行多學(xué)科、多層次的綜合研究已經(jīng)成為當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的主流方向之一。我國在2001年初由中國科學(xué)院和新華通訊社聯(lián)合組織的預(yù)測小組預(yù)測了“新世紀(jì)將對人類產(chǎn)生重大影響的十大科技趨勢”，其中第4大趨勢就是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域一一揭示人腦奧秘，探索意識、思維活動的本質(zhì)。專家認(rèn)為，21世紀(jì)人類在腦科學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的幾個(gè)重大問題上將取得突破性進(jìn)展。對腦科學(xué)的研究熱潮吸引著多學(xué)科的研究者去探索與發(fā)現(xiàn)，而利用和借助信息處理方法來深入研究大腦電信號是該領(lǐng)域非?；钴S的一個(gè)分支。對腦電信號的分析處理已經(jīng)成為腦科學(xué)研究中必不可少的研究手段，為腦科學(xué)的深入發(fā)展提供著技術(shù)支撐。這本書在這樣的歷史環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生，對本學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展將具有積極意義?！　∧X電信號是來自大腦這一復(fù)雜系統(tǒng)的生理電信號，隨機(jī)性很強(qiáng)，節(jié)律種類多樣，各種不同的情緒、心態(tài)都會影響腦電波的變化。從傳統(tǒng)的目視觀察發(fā)展到時(shí)域、頻域分析，以及現(xiàn)代的動力學(xué)特性研究等，隨著對腦電的研究方法的不斷拓展，對它的認(rèn)識也越來越深刻。該書遵循事物的認(rèn)知規(guī)律，由淺人深地結(jié)合作者的研究經(jīng)驗(yàn)逐一對以上內(nèi)容進(jìn)行了介紹。除了對理論背景介紹之外，還針對每種研究手段給出了應(yīng)用的實(shí)例，為讀者提供了一些有價(jià)值的參考信息?！　∪珪鹿?jié)安排合理，陳述觀點(diǎn)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)，是一本全面介紹腦電分析方法的專業(yè)著作，對讀者具有很好的實(shí)用性和指導(dǎo)意義。

內(nèi)容概要

腦電信號分析已經(jīng)在腦科學(xué)研究中占據(jù)了越來越重要的地位。本書共7章。第1、2章涉及生理基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)在內(nèi)的相關(guān)知識。第3章至第5章是方法部分，其中：第3章重點(diǎn)回顧了傳統(tǒng)腦電分析方法；第4章側(cè)重于動力學(xué)特性的分析，重點(diǎn)介紹了一些新的分析方法，如混沌理論、信息論和復(fù)雜度分析等；第5章主要介紹其他重要分析方法，如同步分析和因果性分析。全書的最后兩章是實(shí)例部分。第6章是腦電分析應(yīng)用領(lǐng)域的綜述，內(nèi)容涉及臨床疾病的輔助診斷、腦電逆問題、認(rèn)知科學(xué)研究中的腦電分析以及腦一機(jī)接口。第7章是上述方法(第4、5章為主)的應(yīng)用實(shí)例介紹。        本書可供生物醫(yī)學(xué)工程中腦信號處理方面的研究人員、大中專院校的相關(guān)專業(yè)的研究生，以及醫(yī)院腦電圖室的醫(yī)務(wù)工作者參考。

書籍目錄

序前言第1章　腦電信號  1.1　腦電研究的歷史    1.1.1　腦電的發(fā)現(xiàn)    1.1.2　腦電研究發(fā)展  1.2　腦電的電生理學(xué)基礎(chǔ)    1.2.1　腦的解剖與功能      1.2.2　腦電波的來源    1.2.3　腦電波的節(jié)律性    1.2.4　腦電信號的分類  1.3　腦電信號的采集    1.3.1　被試的準(zhǔn)備    1.3.2　系統(tǒng)準(zhǔn)備及電極安放    1.3.3　采集    參考文獻(xiàn)第2章　腦電信號的預(yù)處理  2.1　腦電信號的特征  2.2　腦電信號中的噪聲和干擾源    2.2.1　干擾源    2.2.2　噪聲（偽跡）    2.2.3　眼電的測量  2.3　偽跡去除方法    2.3.1　偽跡減法    2.3.2　主成分分析    2.3.3　獨(dú)立成分分析    參考文獻(xiàn)第3章　腦電信號的傳統(tǒng)分析方法  3.1　時(shí)域分析方法    3.1.1　波形特征描述法    3.1.2　自回歸AR模型  3.2　頻域分析方法    3.2.1　傅里葉變換    3.2.2　功率譜密度    3.2.3　非參數(shù)譜估計(jì)法    3.2.4　基于AR模型的功率譜估計(jì)  參考文獻(xiàn)第4章　腦電信號的現(xiàn)代分析方法　4.1  引言　4.2　非線性時(shí)間序列分析    4.2.1　非線性動力學(xué)系統(tǒng)    4.2.2　重構(gòu)相空問和嵌入理論    4.2.3　非線性時(shí)間序列的定量描述　4.3　刻畫動力學(xué)系統(tǒng)特性及有限數(shù)據(jù)序列的非線性分析    4.3.1　相關(guān)維數(shù)    4.3.2　最大Lyapunov指數(shù)    4.3.3　確定性及非線性預(yù)測  4.4　檢驗(yàn)非線性    4.4.1　一個(gè)合適的零假設(shè)    4.4.2　使用替代數(shù)據(jù)法檢驗(yàn)非線性    4.5　存在的問題及可能的解決方案    4.5.1　穩(wěn)定性和時(shí)間序列的非穩(wěn)態(tài)    4.5.2　重構(gòu)相空間及相關(guān)維數(shù)的估算    4.5.3　基于時(shí)間延遲的嵌入方法的維數(shù)估算    4.5.4　全局相關(guān)維數(shù)  4.6　信息學(xué)研究方法    4.6.1　引言    4.6.2　互信息    4.6.3　小波熵  4.7　腦電的復(fù)雜度    4.7.1　引言    4.7.2　何謂復(fù)雜度    4.7.3　復(fù)雜度在腦電分析中的應(yīng)用研究    4.7.4　Lempel—Ziv復(fù)雜度算法    參考文獻(xiàn)第5章　腦電信號的其他分析方法    5.1　其他方法……第6章　腦電信號分析的應(yīng)用現(xiàn)狀第7章　腦電信號分析在精神疾病中的應(yīng)用研究附錄A　常用統(tǒng)計(jì)分析方法附錄B　相關(guān)程序代碼附錄C　英文專業(yè)詞匯索引

章節(jié)摘錄

　　第1章　腦電信號腦電信號是通過電極記錄下來的腦細(xì)胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動。這種電現(xiàn)象伴隨著生命的始終，一旦死亡，電現(xiàn)象就會隨之消失。我們通常所說的腦電圖是指頭皮腦電圖（scalp electroencephalogram），實(shí)際上就是頭皮電位差與時(shí)間之間的關(guān)系圖。腦電波是腦神經(jīng)細(xì)胞總體活動，包括離子交換、新陳代謝等的綜合外在表現(xiàn)，深入地研究腦電波的特性將推進(jìn)人們對自身大腦的探索研究進(jìn)程，增強(qiáng)其對疾病的輔助診斷能力。本章首先介紹了腦電信號研究的歷史概況，然后對腦電信號的電生理學(xué)基礎(chǔ)以及常用的實(shí)驗(yàn)采集方法進(jìn)行了論述?！　?.1　腦電研究的歷史　　1.1.1　腦電的發(fā)現(xiàn)　　腦電的研究始于生物電的發(fā)現(xiàn)。1786年意大利博洛尼亞大學(xué)（Bologna Uni—versity）的解剖學(xué)教授Galvani觀察到青蛙外周神經(jīng)和肌肉的帶電現(xiàn)象，由此發(fā)現(xiàn)了生物電，并創(chuàng)立了動物電（animal electricity）學(xué)說。人們因此將其視為現(xiàn)代電生理學(xué)（electrophysiology）的奠基人。在此后的半個(gè)多世紀(jì)里，電生理儀器得到不斷改進(jìn)。1875年，英國利物浦皇家醫(yī)學(xué)院助教Richard Caton（1842--1926）首先在兔腦上觀察到了自發(fā)腦電反應(yīng)，并于同年8月，在英國《醫(yī)學(xué)雜志》（British Medical Jour—nal）上以《腦的電流》為題發(fā)表了他的研究工作。15年后，波蘭克拉科夫雅蓋隆寧大學(xué)（Jagiellonian University of Krakow）的Adolf Beck（1863--1942）也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了狗和兔子的皮層腦電活動，并在他的博士論文中首次提出了腦電的去同步化過程的概念。這些早期的動物腦電研究無疑為人腦自發(fā)電活動的發(fā)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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