收藏本站
《重庆大学》 2004年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于脑电信号的认知动力学系统研究——线性/非线性方法及动态时—频—空分析

缪晓波  
【摘要】:本文首先提出认知动力学系统(cognitive dynamics system,CDS)新概念,认为对大脑认知功能的研究应基于一种动态的、系统的观点。因为人脑在处理认知任务的时候总是遵循“接受信息(看、听、感觉等)—提取信息(记忆等)—处理信息(运算、决策等)—输出信息(说、写、情绪等)”这一工作环路,而且这一环路不是静止的,而是动态的,演变的,非线性的,混沌的;不同时点、不同脑区、不同频段工作环路的同步、整合等机制构成了整个大脑认知系统。与之相适应的研究手段有功率谱分析,非线性动力学分析,动态时—频—空分析,以及同步分析等方法。鉴于认知动力学系统的复杂性,应从时域、频域和空域进行多角度、多层次、多方法综合分析,方有可能一窥人脑认知活动的神秘和美妙。 针对认知动力学系统,本文设计了两组认知功能实验,一是正常生理情况下的认知功能实验;二是病理情况下的认知功能实验。其中正常生理状态下共记录了8种认知状态下的脑电数据,即安静闭眼、安静睁眼、闭眼心算、数字广度顺背、数字广度逆背、词汇联想、图形推理、定向力测试等。其中安静闭眼作为对比参照状态;安静睁眼作为简单认知任务;闭眼心算、数字广度顺背、数字广度逆背、定向力测试和词汇联想作为中等复杂程度的认知任务;图形推理作为复杂认知任务。在病理实验中,考虑到采集病人脑电数据的临床条件和病人配合程度,只记录了病人安静闭眼、安静睁眼两种状态下的脑电数据,以便实验方法和分析结果能更好地应用于临床。 在功率谱分析中,首先应用FIR带通滤波器进行滤波预处理,应用信号弱平稳准则进行平稳性检测预处理,然后重点讨论了用AR模型的Burg法进行功率谱估计,计算并分析了各种认知状态下的功率谱量化指标。 在非线性动力学分析中,系统地研究了非线性动力学研究的一般方法和步骤。首先设计了一种基于独立分量分析的时空滤波器进行信号滤波预处理,应用信号弱平稳准则进行平稳性检测预处理,应用互信息法和Cao方法进行相空间重构的参数选择预处理。在预处理的基础上,详细讨论了Lyapunov指数、分形维数、近似熵等动力学方法,并分析了各动力学参数在各种认知状态下的特征变化。 在动态时—频—空分析中,首先提出“动态时—频—空分析”新方法并指出其意义,然后详细讨论了基于Gabor变换和小波变换的两种动态时—频—空分析方法及相关参数指标的分析结果,最后提出一种非线性非平稳性前提下的小波混沌分析新方法及其参数指标的时—频—空变异性。 在同步分析中,系统地研究了线性同步方法、基于非线性动力学的同步方法、相同步方法等,重点讨论了各认知状态在线性同步(相关函数)下的特性和规律, 重庆大学博士学位论文 在非线性同步(非线性互依赖性)下的特性和规律,以及在相同步(基于希尔伯 特变换的相同步法)下的特性和规律. 本文的一个理论创新在于首次提出认知动力学系统这一新概念,使得对认知 功能的研究建立在一个理论框架下,其核心内容包括三方面:(l)认知过程通过 EEG脑电活动在时间,频率,空间上的动态演化体现出来;(2)认知过程通过EEG 脑电活动的非线性振动与各种刺激诱发的暂态体现出来;(3)认知过程通过EEG 脑电活动在各脑区的相互祸合与同步谐振体现出来。 另一个创新之处是在非线性动力学研究中,首次设计了一种基于独立分量分 析的时空滤波器进行信号预处理,保证了在宽频带和高维系统前提下的降噪,从 理论上保证了后继非线性动力学参数刻划的可靠性和有效性。 另一个创新之处在于首次提出动态时一频一空分析新方法,从时一频,时一 空,频一空多个角度多个层面的动态演化中寻找规律,探讨正常生理状态和病理 状态下大脑认知功能的变化特性.目前这一研究成果已应用到成都迪康数字医疗 仪器公司的数字化脑电图及数字化脑地形图的产品中。 另一个创新之处是首次发现丫相同步在认知作业下具有与事件相关电位P300 相似的性质,即随着认知任务的复杂程度增加,其在头皮中顶区的反应也随着增 强,表明丫相同步也可能是一种事件相关反应。相比P30。,其优势是信号采集时的 易操作性和可靠性。 本文系统研究了正常生理情况下和病理情况下的多种认知作业任务,对每种 作业任务给出了众多的量化分析指标,这些量化分析无疑会对相关研究和临床应 用具有极大的参考价值。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R318.04

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 赵岩斌;脑电数据的函数分析方法[D];东北师范大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 蔡琼;基于小波变换的EEG分析[D];长沙理工大学;2007年
2 勾慧兰;1/f波电刺激前后脑电功率谱和复杂度的分析研究[D];河北科技大学;2010年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 杨福生,洪波,唐庆玉;独立分量分析及其在生物医学工程中的应用[J];国外医学.生物医学工程分册;2000年03期
2 刘建平,贺太纲,郑崇勋,黄远桂;EEG复杂性测度用于大脑负荷状态的研究[J];生物医学工程学杂志;1997年01期
3 洪波,唐庆玉,杨福生,陈天祥;近似熵、互近似熵的性质、快速算法及其在脑电与认知研究中的初步应用[J];信号处理;1999年02期
4 吴东宇,董为伟;脑电非线性分析在认知功能研究中的应用[J];中华神经科杂志;2003年05期
5 张作生,彭虎,公佩祥;几种不同认知事件下40Hz脑电事件相关电位的分维特性比较[J];中国科学技术大学学报;1997年01期
6 王永红,董为伟,杨浩;脑电信号混沌态的初步临床研究[J];重庆医科大学学报;1997年04期
7 洪波,唐庆玉,杨福生,潘映辐,陈葵,铁艳梅;ICA在视觉诱发电位的少次提取与波形分析中的应用[J];中国生物医学工程学报;2000年03期
8 杨福生,廖旺才;近似熵:一种适用于短数据的复杂性度量[J];中国医疗器械杂志;1997年05期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 吴东宇;脑电非线性动力学分析在认知功能研究中的应用[D];重庆医科大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈学锋;瞿金平;;注塑机曲肘式合模机构弹性振动的研究[J];工程塑料应用;2008年03期
2 陈文元;李雪梅;迟晓梅;;小波分析与神经网络在结构多处损伤监测中的应用[J];四川建筑科学研究;2006年03期
3 谢晓娣;基于小波包变换的地铁远方短路电流分析[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2005年01期
4 李素云;张德祥;;基于小波变换的汽车齿轮箱振动信号故障分析[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2012年01期
5 李多田;张伟林;;结构无损检测与小波分析方法[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2008年03期
6 张兵;;不同模态振型在梁结构裂缝识别中的差异[J];安徽建筑;2010年02期
7 张纪全,刘桂芹,胡延霞,李伟,朱树干;自制脑伤合剂治疗外伤性痴呆临床观察[J];中医药临床杂志;2005年04期
8 林雯;;基于计算机视觉和神经网络的芒果外观等级分类研究[J];安徽农业科学;2010年23期
9 余嘉傲;吕建新;;基于经验模态分解近似熵和支持向量机的农用柴油机故障诊断[J];安徽农业科学;2011年16期
10 姚旭,陈彩云,高敏;脑电图与经颅多普勒对椎基底动脉供血不足的诊断[J];安徽卫生职业技术学院学报;2004年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨辰龙;;曲面变厚度工件超声检测中的波形自动跟踪技术研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
2 郭小荟;马小平;;基于EMD近似熵特征提取和支持向量机的故障诊断方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
3 王重阳;彭圆;张风珍;牟林;;CWT奇异值在水中目标回波信号特征提取中的应用[A];中国声学学会水声学分会2011年全国水声学学术会议论文集[C];2011年
4 邓攀;颜振亚;;一种MIMO-OFDM准静态信道估计方法的研究[A];2011年通信与信息技术新进展——第八届中国通信学会学术年会论文集[C];2011年
5 邹凯;刘晓伟;袁菁;刘亮;范洁;奚娟;方馨怡;;甲磺酸双氢麦角碱治疗利培酮所致高泌乳素血症及对P300的影响[A];中国中西医结合学会精神疾病专业委员会第十一届学术年会论文汇编[C];2012年
6 路树超;陈思思;刘炜;王朝阳;刘清国;;针刺捻转补泻手法对人体胫后神经体感诱发电位N45、P60影响的研究[A];2011中国针灸学会年会论文集(摘要)[C];2011年
7 袁红;陈榕;黄大鹏;王文远;陈占禄;陈锋;;平衡针镇痛即时效应的机制研究[A];2011中国针灸学会年会论文集(摘要)[C];2011年
8 何正嘉;訾艳阳;陈雪峰;王晓冬;;内积变换原理与机械故障诊断[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
9 段培超;;基于小波变换和CB形态学的航空图像边缘检测[A];图像图形技术与应用进展——第三届图像图形技术与应用学术会议论文集[C];2008年
10 林梓;宋鹏;;基于小波变换的1/f类分形信号的噪声抑制[A];第十届全国信号处理学术年会(CCSP-2001)论文集[C];2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 姜国强;弓网滑动电接触摩擦磨损行为研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
3 邹玮;荧光分子断层图像的重建技术研究[D];苏州大学;2010年
4 汪春梅;癫痫脑电信号特征提取与自动检测方法研究[D];华东理工大学;2011年
5 张峰;输电线路行波故障测距优化算法研究[D];山东大学;2010年
6 王儒芳;当代情绪心理学视角下的中医七情理论与实践研究[D];成都中医药大学;2010年
7 刘杨;事件相关电位脑—机接口的最优设计[D];国防科学技术大学;2010年
8 赵鹏;离心泵振动故障诊断方法研究及系统实现[D];华北电力大学(北京);2011年
9 刘劲;基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D];华中科技大学;2011年
10 李鹏辉;基于图像处理技术和小波方法的结构损伤识别[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨焱麟;基于小波变换理论与比值分析法的变压器励磁涌流识别的研究[D];山东科技大学;2010年
2 赵奇;医学超声图像三维重建算法研究[D];山东科技大学;2010年
3 丁雷;白鼠脑电信号远控采集处理系统的设计与研究[D];山东科技大学;2010年
4 钟丽辉;SD大鼠闪光视觉诱发电位的少次提取和神经元放电的初步研究[D];郑州大学;2010年
5 吴国曾;实时信号小波分析中边界处理方法及应用[D];郑州大学;2010年
6 吴敏;基于AdaBoost和独立分量分析的人脸检测与识别算法的研究[D];郑州大学;2010年
7 李海燕;体外自动除颤仪心电信号处理方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 解保忠;计算机在矽肺病早期诊断及预测中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 胡静;远距离无线TDCS的衰落信道适应技术[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 李惠;稳定分布盲分离方法及应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王兆源,周龙旗;检测脑电癫痫波的小波分析方法[J];北京生物医学工程;2000年03期
2 马颖颖;张泾周;吴疆;;脑电信号处理方法[J];北京生物医学工程;2007年01期
3 孟欣,欧阳楷;脑电信号的几个非线性动力学分析方法[J];北京生物医学工程;1997年03期
4 章江,李满成;医用电刺激器的研制[J];电工电能新技术;1995年04期
5 王卫,任莉,夏富乐,张德昌;生物电和电刺激在医学中的应用[J];第四军医大学学报;2001年S1期
6 王兆源,周龙旗;脑电信号的分析方法[J];第一军医大学学报;2000年02期
7 毛峡,丁玉宽,牟田一弥;图像的情感特征分析及其和谐感评价[J];电子学报;2001年S1期
8 解幸幸;李舒;张春利;李建康;;Lempel-Ziv复杂度在非线性检测中的应用研究[J];复杂系统与复杂性科学;2005年03期
9 李建平;C8051 F320在USB设计中的应用[J];国外电子元器件;2005年04期
10 刘心东,蒋大宗;混沌及其在生物医学工程中的应用[J];国外医学.生物医学工程分册;1993年02期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 季忠;脑电信号特征信息提取的时频分析方法及虚拟式脑电图仪的研制[D];重庆大学;2003年
2 靳刘蕊;函数性数据分析方法及应用研究[D];厦门大学;2008年
3 王磊;基于运动想象的脑电信号分类与脑机接口技术研究[D];河北工业大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马舜尧;电刺激经络导通法及刺激装置的研究[D];天津大学;2004年
2 买斐;神经纤维电刺激的建模及非线性分析[D];天津大学;2003年
3 郑效来;癫痫脑电信号特征识别与提取的研究[D];大连理工大学;2005年
4 蔡方凯;已调波功率谱分析研究[D];电子科技大学;2005年
5 孙卫国;癫痫脑电的复杂度和近似熵研究[D];第一军医大学;2006年
6 温奇;基于稳态视觉诱发电位肌肉电刺激仪的研究[D];天津大学;2006年
7 张国龙;脑电刺激治疗仪的研制[D];天津大学;2006年
8 王登科;基于ARM的便携式生物电疗仪[D];西北工业大学;2007年
9 王江;基于脑电mu节律的脑—机接口系统的研究[D];河北工业大学;2006年
10 王健;基于独立分量分析的脑电信号消噪[D];河北工业大学;2006年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 井晓茹;基于符号转移熵和平均能量耗散的睡眠分期分析[D];南京邮电大学;2012年
2 张梅;脑电信号时间不可逆性分析和多参量生物电信号耦合研究[D];南京邮电大学;2013年
3 黄诗苹;基于熵的嗅觉仿生模型的研究[D];湖南大学;2012年
4 王娜;脑电信号相位同步特性研究[D];湖南大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨波,张玘,戴路,李剑;Windows9x/NT及2000下中断驱动程序的统一化处理[J];电子技术应用;2001年01期
2 沈强,蒋大宗;混沌的数值分析方法及其在生物医学工程中的应用[J];国外医学.生物医学工程分册;1994年06期
3 沈强;蒋大宗;;非线性动力学现代理论在生物医学工程中的应用[J];国外医学.生物医学工程分册;1996年02期
4 贺太纲;刘建平;;混沌控制:癫痫患者的一线希望[J];国外医学.生物医学工程分册;1996年03期
5 田心,杨福生;脑电的非线性动力学研究中的问题和进展[J];国外医学.生物医学工程分册;1999年04期
6 田心,杨福生;混沌控制及其在生物医学中应用前景[J];国外医学.生物医学工程分册;1999年05期
7 宋莹,田心;脑电的非线性动力学高维特性及研究现状与展望[J];国外医学.生物医学工程分册;2000年04期
8 李勇;脑电信号现代分析方法的发展[J];国外医学(生物医学工程分册);1996年04期
9 张作生,公佩祥,彭虎,李江明;算术心算过程40Hz脑电事件相关电位的分维特性研究[J];自动化学报;1997年03期
10 刘建平,郑崇勋,马建青;不同睡眠期脑电图复杂性研究[J];生物医学工程学杂志;1996年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 何宏彬,吴祈耀;双谱在脑电图分析中的应用[J];医疗保健器具;1998年03期
2 彭松,马杰,杨翠微,方祖祥;多导联脑电遥测与远程监护系统的研制[J];生物医学工程学杂志;2001年02期
3 陈明彪;意念诊断治疗、意念促动、意念美容美身、复视明、复听仪构想[J];医疗卫生装备;2003年S2期
4 卞宁艳;曹洋;王斌;顾凡及;张立明;;基于二阶C_0复杂度的癫痫发作预测[J];生物物理学报;2007年01期
5 张海军;张文庆;;基于小波包技术的脑电特征波提取分析[J];机电工程技术;2008年07期
6 王建坤;李男男;孙瑶;耿卫东;;一种脑电信号模拟预处理电路的设计[J];南开大学学报(自然科学版);2010年02期
7 何为,陈香,杨基海;不同思维作业电信号的高准确度模式分类[J];上海生物医学工程;2004年04期
8 吴晓彬;郭影;邱天爽;鲍海平;;B样条小波在提取脑电癫痫棘波中的应用[J];生物医学工程学杂志;2006年05期
9 张莉;何传红;何为;;脑-机接口的研究现状与挑战[J];现代科学仪器;2007年02期
10 肖丹;王平;;能量熵在运动想象脑电信号分类中的应用[J];江西蓝天学院学报;2008年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 崔建国;王旭;;基于光纤隔离与通讯的生物电信号放大方法研究[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年
2 王裕清;粱平;郭付清;张登攀;;脑电信号诊断专家系统的研究[A];中国生理学会第21届全国代表大会暨学术会议论文摘要汇编[C];2002年
3 赵丽;万柏坤;高扬;;基于脑电信号α波的电动小车控制系统研究[A];《制造业自动化与网络化制造》学术交流会论文集[C];2004年
4 王行愚;;基于脑电信号的人机融合控制[A];第二十三届中国控制会议论文集(上册)[C];2004年
5 葛家怡;周鹏;王明时;;睡眠脑电信号样本熵的研究[A];天津市生物医学工程学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
6 贾文艳;赵香花;高小榕;高上凯;杨福生;;2003年脑机接口数据竞赛论文之五——想像左右手运动的单次脑电信号分类[A];首届全国功能神经影像学和神经信息学研讨会论文汇编[C];2003年
7 周红标;;基于小波包变换和最小二乘支持向量机的癫痫脑电信号识别[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年
8 张伟;田心;;癫痫脑电整体及小波分量的相位同步性[A];天津市生物医学工程学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
9 薛蕴全;王秋英;王宏;;脑电信号的动态时空响应拓扑图[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集(上)[C];2001年
10 王娆芬;张建华;王行愚;;基于ICA和FCM算法的操作员脑电信号眼电伪迹自动去除研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 张文清 记者 王春;意念控制车速及左右转弯前行[N];科技日报;2008年
2 李红;芯片能给人第二次生命吗[N];科技日报;2004年
3 小峰;数字化技术:警察的好帮手[N];人民公安报;2010年
4 本报记者 孙刚;未来医疗:明天我们这样治病[N];解放日报;2010年
5 本报记者 赵建国;“意念”控制技术让人们心想事成[N];中国知识产权报;2008年
6 王坤;我国精神疾病治疗获突破[N];中国医药报;2001年
7 张献怀;“癫痫刀”投入临床[N];中国中医药报;2001年
8 本报特约撰稿人 陆志城;我思,故我动[N];医药经济报;2003年
9 刘成前;手术治疗精神病获突破[N];医药经济报;2002年
10 山西 张树弼;浅谈光电耦合器[N];电子报;2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张美云;阿尔茨海默病脑电信号多尺度时空定量特征研究[D];天津医科大学;2012年
2 赵岩斌;脑电数据的函数分析方法[D];东北师范大学;2011年
3 石立臣;基于脑电信号的警觉度估计研究[D];上海交通大学;2012年
4 欧阳高翔;癫痫脑电信号的非线性特征识别与分析[D];燕山大学;2010年
5 王娆芬;过程控制操作员生理信号分析及功能状态建模[D];华东理工大学;2012年
6 梁静坤;基于想象驾驶行为的脑电信号分析与脑机接口研究[D];河北工业大学;2012年
7 季忠;脑电信号特征信息提取的时频分析方法及虚拟式脑电图仪的研制[D];重庆大学;2003年
8 朱晓军;HHT变换及其在脑电信号处理中的应用研究[D];太原理工大学;2012年
9 崔冬;多通道脑电信号建模及同步分析[D];燕山大学;2011年
10 施锦河;运动想象脑电信号处理与P300刺激范式研究[D];浙江大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张新;脑电信号分析在认知功能中的研究[D];重庆大学;2010年
2 刘友友;基于多类运动感知脑电的异步脑—机接口的研究[D];山东大学;2010年
3 赵建林;癫痫脑电信号识别算法及其应用[D];山东大学;2010年
4 王娟;慢性痛多通道脑电信号分析[D];燕山大学;2011年
5 李窦哲;脑—机接口系统中脑电信号采集与特征识别[D];山西大学;2010年
6 张倩华;脑电信号的非广度熵分析[D];汕头大学;2004年
7 张道信;基于小波和独立分量分析的脑电信号处理[D];安徽大学;2002年
8 勾慧兰;1/f波电刺激前后脑电功率谱和复杂度的分析研究[D];河北科技大学;2010年
9 李县辉;脑电信号的小波相关与互信息分析[D];汕头大学;2003年
10 姜波;多自由度智能假手控制系统的研究[D];大连理工大学;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026