一种自动脑源定位方法及装置

摘要

本发明公开了一种自动脑源定位方法及装置。针对多通道脑电信号，首先利用移动窗技术对其进行分段；接着对于每段数据，利用谐小波变换，提取指定频段上的瞬时幅值和相位信息；然后基于同步技术，计算指定频段上两两通道间的同步；最后将各分段上的同步信息整合，并得到各通道脑电信号的同步性大小，据此确定脑源位置。本发明提供了一自动的脑源定位方法及装置，可以帮助研究人员快速确定脑源，理解脑源与行为的关系提供客观依据。

主权项

1.一种自动脑源定位装置，包括脑电信号采集设备，用于采集原始脑电信号；A/D转换器，将模拟脑电信号转换成数字信号；脑电信号放大器，用于将脑电信号放大；其特征在于，还包括脑电信号处理器，脑电信号处理器首先将脑电信号分段；然后提取多通道脑电信号在指定频段上的瞬时幅值和相位信息；然后确定指定频段上两两通道间的同步强度；确定各指定频段上的脑源定位矩阵；最后确定各通道与其它所有通道间平均同步强度；平均同步强度用来衡量该脑电信号采集设备的电极附近的大脑区域与其他区域间同步性的强弱，数值越大，则同步性越强，表示越有可能是脑源区域；脑电信号分段采用移动窗口技术进行分段处理；利用谐小波变换提取指定频段上的瞬时幅值和相位信息；利用谐小波变换提取指定频段上的瞬时幅值和相位信息具体步骤如下：设定待考察的频段为[f_L,f_H]，谐小波具有紧凑的频域表示形式，其定义为$H_{m,n}\left(w\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{(n-m)2\pi }& m2\pi \le w\le n2\pi \\ 0& \mathrm{elsewhere}\end{array}\right.$其中，m和n是尺度参数；谐小波变换利用快速傅里叶变换实现，此算法通过三步完成：(a)对待处理信号x(t)进行傅立叶变换，得到其频谱X(w)；(b)将X(w)与(m,n)尺度上谐小波的盒形频谱H(w)的共轭相乘，得到W(w)；所需频段[f_L,f_H]与尺度参数m、n的关系如下：$m=f_L·\frac{N}{f_s}$$n=f_H·\frac{N}{f_s}$其中，f_s为采样频率,N为傅里叶变换的点数；(c)将W(w)进行傅立叶逆变换，即得到谐小波变换系数w(t)，此系数为复数，其虚部为实部的Hilbert变换，其瞬时相位计算如下：φ(t)=tan^-1(imag(w(t))/real(w(t)))瞬时幅值为$A\left(t\right)=\sqrt{{\left(\mathrm{real}\left(w\left(t\right)\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{imag}\left(w\left(t\right)\right)\right)}^2}$这样得到各通道脑电信号EEG_i(t)，i=1,2,···,L，L为通道数，在[f_L,f_H]频段上的瞬时幅值A_i(t)和相位信息确定指定频段上两两通道间的同步强度的具体步骤如下：设定计算同步强度的两个通道分别为EEG_i(t)和EEG_j(t)，i,j=1,2,···,L i≠j，相应的瞬时幅值A_i(t)、A_j(t)和相位信息那么相位差定义为定义相位同步强度因子其中，M为信号长度，考虑到幅值的影响，重新定义同步强度因子如下：${\mathrm{IPSI}}_{\mathrm{ij}}=\frac{<A_i\left(t\right)>+<A_j\left(t\right)>}{2}·{\mathrm{PSI}}_{\mathrm{ij}}$其中，<A_i(t)>和<A_j(t)>分别表示i和j通道相应的瞬时幅值在时间上平均值，将其归一化，得到nIPSI_ij：${\mathrm{nIPSI}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{IPSI}}_{\mathrm{ij}}}{\underset{i,j,i\ne j}{\max }\left({\mathrm{IPSI}}_{\mathrm{ij}}\right)}$将nIPSI_ij按照矩阵形式排列，其中i=j的位置，即矩阵的对角线上的元素全部取0，得到该频段上两两通道间的同步矩阵确定各指定频段上的脑源定位矩阵的具体步骤如下：随着移动窗口的推移，可得到各个时间段上的该指定频段上的两两通道间的多个同步矩阵E_k[i,j]，k表示选取的时间段数k=1,2,···,K；取所有时间段上同步矩阵的平均值作为指定频段上的脑源定位矩阵E_ave[i,j]，确定每个通道与其它所有通道间的平均同步强度S_i，