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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

季忠  
【摘要】: 脑电图仪是临床上检查脑疾病的重要辅助工具,能否有效提取脑电信号中的各种特征信息是判断脑电图仪性能好坏的重要标志。本文在了解和分析国内外目前在脑电信号处理、脑电图仪发展现状的基础上,利用近年来信号处理领域的重大成就,以及计算机软硬件技术和微电子技术,并结合最近几年获得飞速发展的虚拟仪器技术,建立了虚拟式的脑电测量和分析仪器系统。这是虚拟仪器技术向生物医学领域渗透的必然结果,也必将会对我国的生物医疗电子和生物医学仪器领域产生重大影响。 脑电信号作为一种复杂的非平稳信号,仅仅利用传统的时域和频域分析方法很难充分提取脑电信号中的特征信息。本文在综述各种时频分析理论的优点和局限性的基础上,深入讨论了Gabor变换、小波和小波包变换、Wigner分布和Choi- Williams分布、匹配跟踪(MP)、独立分量分析(ICA)、基于小波包分解和短时傅立叶变换的多分辨率时频分析(MRTFA)和人工神经网络(ANN)在脑电信号特征信息提取中的应用。由于脑电信号中特征波形的多样性和复杂性,仅依靠某一种时频分析方法是无法有效提取脑电信号中的所有特征信息的,因此必须考虑综合利用各种时频分析方法。在作者研制的虚拟式脑电测量与分析仪中,集成了上述时频分析方法。引入了脑电基本节律频带相对强度比(BRIR)的概念,利用Gabor变换实现了BRIR的自动检测,帮助医生正确判断脑电节律的抑制情况;综合利用独立分量分析、多分辨率小波变换、自适应滤波处理、连续小波变换、人工神经网络和专家知识规则来提取癫痫脑电中棘波、尖波和慢波;根据脑电信号中波形特征的不同,可以自适应地选择适当的时频分析方法,如基于不同小波基的小波变换和Wigner分布等,以最大化显现脑电信号中的特征信息。同时考虑脑电图仪的发展特点和临床诊断要求,在本文的研究过程中,集成了脑电地形图检测和睡眠分阶自动分析的功能。其中脑电地形图利用Gabor变换和球面插值方法来实现;在建立基于小波包变换和短时傅立叶变换的多分辨率时频分析以及睡眠分阶规则的基础上,实现睡眠分阶自动分析功能。 本文还讨论了零相位失真数字滤波器在脑电信号处理中的应用情况。在仪器的实现过程中,用它来对采集到的脑电数据做无失真的预处理以及各个脑电节律频带的无失真信息提取。 在本文建立的虚拟式脑电测量和分析仪器系统中,不仅集成了上述强大的脑电信号特征信息提取功能,而且充分考虑临床应用中医生观察脑电波形的方便性,设置了多个显示控制参数,以达到多样的灵活显示方式。此外,由于本仪器系统 WP=5 是建立在虚拟仪器技术基础上的,因此具有虚拟仪器的固有特点,可以方便地进行脑电数据的采样、保存、回放、显示和打印等;引入了数据库管理技术,从而可以有效地对脑电数据和病人信息进行管理和方便地查询。根据虚拟仪器技术发展趋势和生物医学仪器特点,提出了拼搭式的虚拟式生物医学仪器系统的构建和虚拟式生物医学仪器系统的应用趋势。 本文所研制的虚拟式脑电测量和分析仪器系统,集成了多种时频检测和分析方法,通过这些方法的综合应用,可以充分提取脑电信号中的特征信息,以为医生提供更准确和充分的诊断依据。这在作者所见文献描述的同类仪器中尚未见报道,因此本文对于各种先进的时频分析方法在脑电测量和分析中的实际和深入应用做了有益地和有效地探索。


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