腦電信號分析方法及其應用

前言

　　人類在科學研究的征途中，從來就沒有停止過對自身的研究。21世紀被世界科學界公認為是生物科學和腦科學的時代。在全球性腦研究計劃的推動下，對人腦語言、記憶、思維、學習和注意等高級認知功能進行多學科、多層次的綜合研究已經(jīng)成為當代科學發(fā)展的主流方向之一。我國在2001年初由中國科學院和新華通訊社聯(lián)合組織的預測小組預測了“新世紀將對人類產(chǎn)生重大影響的十大科技趨勢”，其中第4大趨勢就是認知神經(jīng)科學領域一一揭示人腦奧秘，探索意識、思維活動的本質。專家認為，21世紀人類在腦科學和認知神經(jīng)科學研究的幾個重大問題上將取得突破性進展。對腦科學的研究熱潮吸引著多學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域非?；钴S的一個分支。對腦電信號的分析處理已經(jīng)成為腦科學研究中必不可少的研究手段，為腦科學的深入發(fā)展提供著技術支撐。這本書在這樣的歷史環(huán)境下應運而生，對本學科領域的發(fā)展將具有積極意義?！　∧X電信號是來自大腦這一復雜系統(tǒng)的生理電信號，隨機性很強，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)展到時域、頻域分析，以及現(xiàn)代的動力學特性研究等，隨著對腦電的研究方法的不斷拓展，對它的認識也越來越深刻。該書遵循事物的認知規(guī)律，由淺人深地結合作者的研究經(jīng)驗逐一對以上內容進行了介紹。除了對理論背景介紹之外，還針對每種研究手段給出了應用的實例，為讀者提供了一些有價值的參考信息?！　∪珪鹿?jié)安排合理，陳述觀點科學、嚴謹、邏輯性強，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用性和指導意義。

內容概要

腦電信號分析已經(jīng)在腦科學研究中占據(jù)了越來越重要的地位。本書共7章。第1、2章涉及生理基礎和實驗基礎在內的相關知識。第3章至第5章是方法部分，其中：第3章重點回顧了傳統(tǒng)腦電分析方法；第4章側重于動力學特性的分析，重點介紹了一些新的分析方法，如混沌理論、信息論和復雜度分析等；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例部分。第6章是腦電分析應用領域的綜述，內容涉及臨床疾病的輔助診斷、腦電逆問題、認知科學研究中的腦電分析以及腦一機接口。第7章是上述方法(第4、5章為主)的應用實例介紹。        本書可供生物醫(yī)學工程中腦信號處理方面的研究人員、大中專院校的相關專業(yè)的研究生，以及醫(yī)院腦電圖室的醫(yī)務工作者參考。

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　腦電的電生理學基礎    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　被試的準備    1.3.2　系統(tǒng)準備及電極安放    1.3.3　采集    參考文獻第2章　腦電信號的預處理  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　獨立成分分析    參考文獻第3章　腦電信號的傳統(tǒng)分析方法  3.1　時域分析方法    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)譜估計法    3.2.4　基于AR模型的功率譜估計  參考文獻第4章　腦電信號的現(xiàn)代分析方法　4.1  引言　4.2　非線性時間序列分析    4.2.1　非線性動力學系統(tǒng)    4.2.2　重構相空問和嵌入理論    4.2.3　非線性時間序列的定量描述　4.3　刻畫動力學系統(tǒng)特性及有限數(shù)據(jù)序列的非線性分析    4.3.1　相關維數(shù)    4.3.2　最大Lyapunov指數(shù)    4.3.3　確定性及非線性預測  4.4　檢驗非線性    4.4.1　一個合適的零假設    4.4.2　使用替代數(shù)據(jù)法檢驗非線性    4.5　存在的問題及可能的解決方案    4.5.1　穩(wěn)定性和時間序列的非穩(wěn)態(tài)    4.5.2　重構相空間及相關維數(shù)的估算    4.5.3　基于時間延遲的嵌入方法的維數(shù)估算    4.5.4　全局相關維數(shù)  4.6　信息學研究方法    4.6.1　引言    4.6.2　互信息    4.6.3　小波熵  4.7　腦電的復雜度    4.7.1　引言    4.7.2　何謂復雜度    4.7.3　復雜度在腦電分析中的應用研究    4.7.4　Lempel—Ziv復雜度算法    參考文獻第5章　腦電信號的其他分析方法    5.1　其他方法……第6章　腦電信號分析的應用現(xiàn)狀第7章　腦電信號分析在精神疾病中的應用研究附錄A　常用統(tǒng)計分析方法附錄B　相關程序代碼附錄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），實際上就是頭皮電位差與時間之間的關系圖。腦電波是腦神經(jīng)細胞總體活動，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人們對自身大腦的探索研究進程，增強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基礎以及常用的實驗采集方法進行了論述。　　1.1　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（Bologna Uni—versity）的解剖學教授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）學說。人們因此將其視為現(xiàn)代電生理學（electrophysiology）的奠基人。在此后的半個多世紀里，電生理儀器得到不斷改進。1875年，英國利物浦皇家醫(yī)學院助教Richard Caton（1842--1926）首先在兔腦上觀察到了自發(fā)腦電反應，并于同年8月，在英國《醫(yī)學雜志》（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（Jagiellonian University of Krakow）的Adolf Beck（1863--1942）也獨立發(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)奠定了堅實的基礎。

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