癫痫和正常脑电AR模型、AR谱及特征比较

1、 癫痫和正常脑电癫痫和正常脑电 AR AR模型、模型、ARAR谱及特征比较谱及特征比较 LOGO 总述 实验步骤实验步骤 实验结果实验结果 实验结论实验结论 LOGO 开题背景 癫痫：癫痫：癫痫是一种脑部疾患，其特点是持续存在能产生癫痫发作的脑部 持久性改变，并出现相应的神经生物学认知心理学以及社会学等 方面的后果。 脑电图：脑电图：脑电图是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。 将脑细胞电活动的电位做为纵轴，时间做为横轴，这样把电位与 时间的相互关系记录下来的就是脑电图。 建模方法：建模方法：移动平均（MA）模型、自回归（AR）模型、自回归移动平均 （ARMA）模型。 LOGO

2、课题目的 4 3 2 1 学习脑电的测试方法 在Matlab平台上应用Marple 算法建立正常人和癫痫患者 脑电的自回归AR模型 估计AR模型的阶数及各个参数 应用模型参数对两类脑电进行频谱估计（AR谱） LOGO 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 1测取正常人认知脑区（额部和枕部）的 脑电，建立数据文件；对给出的颞叶癫痫 患者同一脑区的脑电建立数据文件 2.对以上两类脑电进行预处 理，去除噪声和剔除伪差 3.对以上两类脑电建立AR模型 4.估计以上两类脑电的 AR谱，并与它们的FFT 功率谱进行比较 5.分析比较正常人和癫痫患者在认 知脑区脑电的AR模型、AR谱的特 征 LOGO 原理

3、和方法 脑电图电极安排脑电图电极安排 LOGO 原理和方法 脑电的特点脑电的特点 波：频率在8 13C/S，波幅2575V，以顶枕部最明显，双侧 大致同步，重复节律地出现波称节律。 波：频率在13C/S以上，波幅约为波的一半，额部及中央区最明显。 波：频率为47C/S，波幅2040V，是儿童的正常脑电活动，两侧 对称，颞区多见。 波：频率为4C/S以下，节律主要在额区，是正常儿童的主要波率， 单个的和非局限的性小于20V的波是正常的，局灶性的波则为异 常。波和波统称为慢波。 LOGO 原理和方法 ARAR参数模型参数模型 输入为白噪声的线性系统，输入u（n）和输出x（n）的关系可以写作： )(

4、)()( 01 knubknxanx q k k p k k p阶自回归（AR）模型： )()()( 1 nuknxanx p k k 模型的传递函数为： k p k kz a zA zH 1 1 1 )( 1 )( LOGO 原理和方法 ARAR模型阶次的选择模型阶次的选择 最终预测误差准则（FPE） ) 1( ) 1( )( kN kN kFPE Akaike信息准则（AIC） kNkAIC k 2)ln()( LOGO 步骤步骤 1. 在计算机上用Matlab 仿真平台显示处理后脑电时序图。 2. 用Matlab 仿真平台建立正常人和癫痫患者脑电的FFT 功率谱，分析比 较正常人和癫痫患

5、者脑电的FFT 功率谱。 3. 用Matlab 仿真平台建立正常人和癫痫患者脑电的AR 模型。 4. 用 Matlab 仿真平台估计正常人和癫痫患者脑电的 AR 谱，分析比较 正常人和癫痫患者在认知脑区的AR 模型、AR 谱的特征。 LOGO 结果 在计算机上用在计算机上用Matlab Matlab 仿真平台显示处理后脑电时序图仿真平台显示处理后脑电时序图 05001000150020002500300035004000 -300 -200 -100 0 100 200 300 020004000600080001000012000 -200 -100 0 100 200 0500100015

6、00200025003000350040004500 -50 0 50 050010001500200025003000 -100 -50 0 50 100 05001000150020002500300035004000 -300 -200 -100 0 100 200 300 020004000600080001000012000 -200 -100 0 100 200 050010001500200025003000350040004500 -40 -20 0 20 40 050010001500200025003000 -40 -20 0 20 40 60 图1 左颞前点正常人与癫痫

7、患者的脑电时序图比较 图2 右颞前点正常人与癫痫 患者的脑电时序图比较 LOGO 结果 正常人和癫痫患者脑电的正常人和癫痫患者脑电的FFT FFT 功率谱功率谱( (以以T4T4为例为例) ) 0510152025303540 0 5 x 10 4 正 常 1T4 fft 0510152025303540 0 5 x 10 4 癫 痫 1T4 fft 0510152025303540 0 5000 癫 痫 2T4 fft 0510152025303540 0 5000 癫 痫 3T4 fft 图3 正常人和癫痫患者脑电的FFT 功率谱(以T4为例) LOGO 结果 阶次的确定阶次的确定 050

8、100150200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 4 050100150200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 4 图4 建立AR模型前阶次的确定（以正常人的T3，T4为例） n1 n2 n3 p1 =70 p1 =73 p1 =102 p2 =72 p2 =86 p2 =75 e1 e2 e3 p1 =68 p1 =12 p1 =72 p2 =43 p2 =16 p2 =23 LOGO 结果 由由ARAR模型估计正常人和癫痫患者脑电的模型估计正常人和癫痫患者脑电的ARAR谱谱 0510152025303540 0 2 4 x 10 4 正 常 1-AR-T4 0

9、510152025303540 0 1000 2000 3000 癫 痫 l-AR-T4 0510152025303540 0 1000 2000 3000 癫 痫 2-AR-T4 0510152025303540 0 1000 2000 3000 癫 痫 3-AR-T4 Frequency (Hz) 图5 正常人和癫痫患者脑电的AR谱 LOGO 结果 ARAR谱与谱与FFTFFT功率谱比较功率谱比较 0510152025303540 0 1 2 3 4 5 x 10 4 正 常 1-fft-T4 Frequency (Hz) Amplitude 0510152025303540 0 1 2

10、3 4 5 x 10 4 正 常 1-AR-T4 Frequency (Hz) Amplitude 0510152025303540 0 1 2 3 x 10 4 癫 痫 1-fft-T4 Frequency (Hz) Amplitude 0510152025303540 0 1 2 3 x 10 4 癫 痫 1-AR-T4 Frequency (Hz) Amplitude 图6 正常人AR谱与FFT功率谱比较图7 正常人AR谱与FFT功率谱比较 LOGO 结论及讨论 （1）正常脑电基线较为平稳，相对基线的振幅较小； 癫痫脑电基线不平稳，相对基线的振幅较大 。 （2）正常脑电波较多，其频带范围

11、为10-12Hz；癫 痫脑电和波较多，频带范围在0-5Hz。 （3）AR谱比FFT功率谱平滑，且比FFT功率谱分辨率 高。 LOGO 结论及讨论 （1）基于脑电时序图的讨论 （2）基于脑电AR 谱的讨论 正常人颞前点脑电基线较为平稳，相对 于基线的振幅较小，波线较密集；癫痫 患者颞前点脑电基线不平稳，相对于基 线的振幅较大，波线较稀疏。可以推断 大脑颞前点为癫痫患者的发病区。 正常人和癫痫颞前点脑电的AR谱及FFT 功率谱有明显差别，正常人额部枕部脑 电的功率能量主要集中在 10-12Hz，即 波段，只有很小一部分能量集中在 0- 5Hz；而癫痫患者颞前点脑电的功率能 量主要集中在0-5Hz，

12、即和波段，只 有很小一部分能量集中在10-12Hz。 LOGO 结论及讨论 (3)AR模型阶数的讨论 应用最终预测误差准则（FPE），当阶 次k由1增加时，FPE（k）将在某一个k 处取得极小值，将此时的k定为最合适 的阶次p。 (4)脑电的AR 谱与 FFT功率谱图的对比 FFT 功率谱是每一个信号点求得的傅里 叶变换，其功率谱是离散的，从图中我 们可以看到它的谱值上下跳动很剧烈， 方差性能不好，分辨率低，谱线不平滑。 AR模型估计出的AR谱谱线平滑，分辨率 高，方差性能得到改善。AR谱线能反映 出FFT功率谱的趋势。一方面说明AR谱 性能优于FFT功率谱，另一方面也验证 了AR模型的正确性。 （5）癫痫病发病区的讨论 对于除颞前点的其他脑区是否为癫痫的 发病区，尚未明确。还须进一步研究。 LOGO 参考文献 1.尧德中.脑功能探测的电学理论与方法.科学出版社.