脑电比功谱和比相干谱的测量分析方法及设备技术

脑电比功谱和比相干谱的测量分板方法及设备，属于脑电分析的技术领域。本发明专利技术采用了科学地确定电极数目及其安放位置，严格要求脑电极大器增益参数及精度、先用较宽的频率通带，采用特定Ａ／Ｄ转换采样速度和总采样时间及与硬件参数直接关联的专用计算分板方法（脑电整数频率间隔内的功率积分法和自互比功率相干法）及其软件等技术途径。通过本发明专利技术可准确、方便地获得脑电分板中的两项最重要指标－比功谱和比相干谱。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种脑电比功谱和比相干谱的测量分析方法及实现该方法的设备。在现有的脑电分析仪器中，均无脑电比功谱和比相谱的测量分析功能。虽然现有此类仪器也有功谱的计算功能，但一般采用快速富变换(FFT)的方法，而此方法得出的频率与所取脑电的样本长度有关，用户根据自己的需要选取1，2，4秒的样本长，所以所得的脑电功谱彼此间不能比较。与此同时，在现有的脑电分析仪器中脑电功谱值取相对单位，很不统一，且用户不能知道脑电的真实功率值，从而严重限制了用户之间数据的交流与共享。另外，在现有的脑电分析仪器中，脑电电极的数目及安放位置不规范，电极数目过多会增大测量分析的难度，过少，则不能可靠地获取脑功能的信息，固此需要一个适宜的数目及正确选定的安放位置，以满足大多数情况下的应用。针对现有脑电分析仪器中的上述缺陷，本专利技术的目的在于(1)通过本专利技术的方法和设备，能够从头皮上记录脑电信号，并得出其比功谱，即单位频率上的脑电功率分布曲线，其上限频率可达70Hz，用户可以根据自己的需要任意选取1，2或4秒的样本长度，均可得到脑电的比功谱；(2)通过本专利技术的方法和设备，得出的脑电比功谱值，是头皮记录处脑电信号的真实功率，因而其意义明确且使得各用户间的数据可以相互比较，大大提高其科学和应用价值；(3)通过本专利技术的方法和设备，可以得出具有广泛应用价值的不同脑区之间的比相干幅谱和比相干相谱，即单位频率上的相干幅值和相位值分布曲线，上限频率可达70Hz。相干谱是二个复杂信号中各频率成分之间的同步性的测量，脑电相干谱可以反映不同脑区各频率脑电活动之间相互关系的重要信息，比相干谱可以得出逐频的相干情况，明显优于以包含多个频率的频带为单位的相干测量；(4)从实际应用出发，确定适宜的脑电电极数目和合理的安放位置，既能可靠地记录脑功能的变化特征，满足用户需要，又不过于繁复。为实现上述目的，本专利技术采用的技术途径包括科学地确定电极数目及其安放位置，严格要求脑电放大器增益参数及精度、选用较宽的频率通带，采用特定的A/D转换采样速度和总采样时间及包含硬件参数的专用计算分析软件等。下面结合附图和实施例进行详细描述。(1)脑电电极的设置a.电极数目为9个。可以记录脑的前、中、后及左、中、右9个部位的信息，少一个即有明显缺陷，而再多对一般应用来说必要性不大。b.附图说明图1为本专利技术9个脑电记录电极的位置示意图。其中脑中线上的Fz、Cz和Pz3个电极位置是国际通用的10-20电极系统中的标准位置，左侧的F3′、C3′和P3′及右侧的F4′，C4′和P4′则分别在标准位置F3、C3和P3的左侧1cm处及F4，C4及P4的右侧1cm处。c.以安放在左、右耳后乳突(肌肉最少处)的M1和M2二个电极并联后作参考电极，接地电极安放在FPz处；d.眼动监测电极分别放在左眼上、下各1.5cm处；e.上述电极均为凹形银/氯化银乏极化电极，导电面的直径为8mm。(2)图2为脑电比功谱和比相干谱测量分析设备的组成，其中1-电极；2-脑电放大器；3-A/D转换器；4-微机；5-分析软件包；6-打印机。软件包5中包括的软件名称、功能和操作如下1)脑电记录、采集和存储软件名称 功 能操作ad 64秒长的记录 在DOS环境下，键入“采集和存储ad”，采集后，据提示，输入文件名(下同)ad2 2×64秒 键入“ad2”ad3 3×64秒 键入“ad3”ad4 4×64秒 键入“ad4”2)脑电比功谱分析软件名称 功能 操作SP1 比功谱分析，样本长＝1秒 在已采集存储的基础上在DOS环境下，键入“SP1”，据提示输入数据文件名(下同)。SP2 同上，样本长＝2秒 键入“SP2”SP4 同上，样本长＝4秒 键入“SP4”3)脑电比相干谱分析软件名 功 能 操 作Scoh比相干谱分析在已记录、采集、存储后，在DOS环境下，键入“Scoh”，据提示输入数据文件名4)文字图形硬拷打印软件名功能 操 作HCP将屏上显示的全此程序在计算机启动时部内容逐像素地已装入内存处于工作待传给激光打印机命状态不失真地硬拷打在显示出9导脑电的比印功谱或比相干谱后，键入“Shift-Printscreen”。包括脑电数据采集记录程序ad，ad2，ad3和ad4，脑电比功谱分析测量程序SP1，SP2和SP4，脑电比相干谱分析测量程序Scoh及文字、图形硬拷程序HCP。其中ad，ad2，ad3和ad4分别用于64，2×64，3×64和4×64秒的脑电数据采集，即对由脑电放大器输出的9导脑电和1导眼动信号以循环的方式和256次/秒的速率进行采样，采得的数据以整数的形式按每导分区存入由计算机内存RAM构成的虚盘中，采样结束后，要求输入文件名，之后，即将数据转入计算机的硬盘或光盘中。程序SP1，SP2和SP4用于对存入硬盘或光盘中的原始脑电数据进行脑电比功谱的分析、测量，分别适用每次计算时所用脑电信号的样本长度为1，2和4秒的情况，计算步骤采用权利要求1中的整数频率间隔内的功率积分法，据此得出每个脑电信号样本的比功谱，通过此程序可以得出要分析数据文件中的所有样本的平均脑电比功谱。例如，要分析的数据文件是64秒的脑电数据，而用的程序是SP2，即取计算的样本长为2秒，则共有64/2即32个样本(其余可以类推)，逐个分析出每导脑电的每个样本的比功谱并逐次累加，最后得出每导的平均比功谱。程序Scoh依据权利要求1中规定的自互比功率相干法，逐导逐样本(样本长等于8秒)地分析出脑电的比相干幅谱和相谱，最后求出该数据文件各导脑电的所有样本(如64秒的总数据长，则样本数为64/8即8个，其余类推)的平均比相干谱。程序HCP可以将显示在屏幕上的9导脑电的平均比功谱曲线或比相干谱曲线逐像素地传给打印机6，从而将屏上的文字、图形全部硬拷下来。本专利技术中分析软件包5中的程序不仅是本测量分析装置中具有独特性的计算方法的技术实现，而且与本装置的硬件参数直接关联，如脑电放大器的增益及模/数转换器的增益在SP1，SP2和SP4中直接用来将脑电的比功率转换为电极记录处的脑电比功率(即真实功率)，又如，模/数转换器的采样速率(256/秒)是SP1，SP2，SP4及Scoh中计算脑电功率时可靠性的必要条件。因此，本专利技术的硬件和软件构成了一个有机的技术系统，彼此不可分，正是基于这种密切结合，本专利技术的脑电测量分析装置才能产生预期的独特技术效果。(3)为确保得到脑电的真实功率值，脑电放大器2采取如下技术参数和措施a.放大器2的增益在2×104～4×104之间选取，但各档的增益精度和9道之间的一致性均须优于0.5％。b.眼动信号放大器的增益在6000-8000之间选定，精度1％。c.放大器2的频带选为0.05～100Hz(-3dB)，此频带可保证脑电中各种成分波形不失真。(4)放大器2的输出信号直接送入A/D转换器3，转换器的精度为12位(±2.5v)采样速率取固定值，即256/秒，此速率满足脑电比功谱和比相干谱的分析要求，又不致占过大的计算机内存，更重要的是，它符合脑电样本长为1，2或4秒时功谱计算的需要。(5)经A/D转换后的脑电数字信号，存入计算机4。(6)对上述脑电数字信号序列，按如下步骤计算出其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脑电比功谱和比相干谱的测量分析方法，其特征是电极数量为特定的９个并分别安放在左、右脑及正中线的Ｆ３′、Ｃ３′、Ｐ３′（Ｆ３、Ｃ３、Ｐ３左侧１ｃｍ处），Ｆ４′、Ｃ４′、Ｐ４′（Ｆ４、Ｃ４、Ｐ４右侧１ｃｍ处）和Ｆｚ、Ｃｚ、Ｐｚ处；Ａ／Ｄ转换器采用固定采样率为２５６／ｓ导；采样长度为６４ｓ或６４ｓ的２，３，４倍，采样程序分别为ａｄ，ａｄ２，ａｄ３和ａｄ４；分析程序为ＳＰ↓［１］，ＳＰ↓［２］，ＳＰ↓［４］和Ｓｃｏｈ；脑电比功谱的计算方法采用“整数频率间隔内的功率积分法”，步骤为：ａ．对于一个数字化的脑电信号序列，Ｘ（ｉ），ｉ＝１，２，…，Ｎ，先求出其快速哈特莱变换（ＦＨＴ）系数，即ＤＸ（ｋ），ｋ＝１，…，Ｎｂ．求出１～７０Ｈｚ内每个变换点上的脑电功率ＰＷ（ｋ）＝ＤＸ（ｋ）↑［２］＋ＤＸ（Ｎ－ｋ）↑［２ ］在每个整数频率之间有等于所用脑电信号的样本长ＳＰＬ（１，２或４秒）的变换点数故ｋ＝１，…，７０×ＳＰＬｃ．若样本长ＳＰＬ大于１秒，则将每个整数频率间隔内（含低端的整数频率点）的ＳＰＬ个功率值加和，即ＳＰＷ（ｋ）＝＊ＰＷ（Ｋ＋ｊ ），其中ｋ＝１，２，…，７０（Ｈｚ）Ｋ＝ｋ＋（ｋ－１）ＳＰＬｄ．将求得的积分功率值取对数变为以ｄＢ表示，即Ｐ（ｋ）＝１０ｌｏｇ↓［１０］（ＳＰＷ（ｋ）），ｋ＝１，２，…，７０（Ｈｚ）ｅ．校正因ＳＰＬ不同而引起的功率值偏移，即 Ｐｃ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）＋ＣＰ（ＳＰＬ）其中，ＣＰ（１）＝２．２９，ＣＰ（２）＝０．９６，ＣＰ（４）＝０．３９ｆ．根据本专利技术装置的硬件特性将所得比功谱值转化为头皮记录处脑电的真实比功率值：设Ｖｓ为采样后数字化的脑电信号值，脑电放大器２的 增益为Ｇ，考虑到模／数转换器３的精度为１２位（±２．５ｖ），即其转换增益为２．５×２×１０００／２↑［１２］（即每位代表的ｍＶ值），则折合到头皮记录部位的脑电信号幅值Ｖｒ为：Ｖｒ＝Ｖｓ×５０００／４０９６×１０↑［３］／Ｇ，以μＶ表示； 脑电比相干谱的计算方法采用“自互比功率相干法”，步骤如下：ａ．对在不同脑区记录的二个数字化的脑电信号序列，Ｘ（ｉ）和Ｙ（ｉ），ｉ＝１，２，…Ｎ，先求出相应的哈特莱变换（ＦＨＴ）系数（即ＤＸ（ｋ）和ＤＹ（ｋ），ｋ＝１，…，Ｎ）ｂ． 根据“脑电整数频率间隔内的功率积分法”的步骤ａ～ｃ，计算出各自的比功率序列ＳＰＷｘ（ｋ）和ＳＰＷｙ（ｋ），ｋ＝１，２，…，７０...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏金河，严拱东，
申请(专利权)人：北京航天医学工程研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]