基于混沌理論的生物電信號分析研究.pdf

1、上世紀(jì)60代以來，隨著微電子集成電路的迅猛發(fā)展，各種電子信息系統(tǒng)也開始發(fā)展起來，對于信號的檢測、估計和濾波等方面建立了一系列基礎(chǔ)理論和方法。信息處理理論的發(fā)展反過來也推動了集成電子電路技術(shù)的發(fā)展。
　　 先進(jìn)的電子計算機(jī)系統(tǒng)為復(fù)雜信號的處理的實現(xiàn)提供可能，信號處理的研究不僅限于一般的理論研究和方法探討，也更多地注重實現(xiàn)技術(shù)。新的信號處理理論與先進(jìn)的電子計算機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)了以往無法實現(xiàn)信息處理技術(shù)?，F(xiàn)代信號處理進(jìn)入了一個新的發(fā)展時

2、期，新的理論方法、新的技術(shù)手段層出不窮。信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，促使信號處理理論和實際應(yīng)用技術(shù)在更高層面上的到了完美地結(jié)合，傳統(tǒng)方法難以想象的技術(shù)得以實現(xiàn)。
　　 非線性混沌理論被譽(yù)為上世紀(jì)繼相對論、量子力學(xué)后，人類科學(xué)領(lǐng)域中的第三次革命。非線性混沌理論以新的思維方式和嶄新的理論方法詮釋了自然現(xiàn)象中的規(guī)律、特征。本論文首先對非線性混沌理論做了深入的闡述和理解，以此理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地研究了腦電信號與心電信號(臨床應(yīng)用最多的兩種

3、生物信號)的非線性動力學(xué)分析方法。論文的研究工作表明非線性動力學(xué)參數(shù)可以作為認(rèn)知狀態(tài)下腦電信號和心律變異信號的特征參數(shù)。論文的主要工作與成果包括：
　　 ①針對腦電信號和心率變異信號，系統(tǒng)地研究了非線性動力學(xué)指標(biāo)參數(shù)的計算方法，論證了相空間重構(gòu)的可能性和實現(xiàn)相關(guān)維值計算的可行性，解決了計算嵌入維值時延遲時間和數(shù)據(jù)長度的選擇問題。分析了傳統(tǒng)G-P算法的存在的不足，提出了一種改進(jìn)算法，該方法將分?jǐn)?shù)維值的計算速度提高了5個數(shù)量級，極大

4、地縮短了計算時間，使得分?jǐn)?shù)維值參數(shù)作為臨床分析指標(biāo)成為可能。同時利用重采樣技術(shù)降低采樣頻率，在保持參數(shù)信息基本不變的條件下，減小了計算的數(shù)據(jù)量。研究成果為非線性動理學(xué)理論在臨床生物電信號處理中的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)手段。
　　 ②針對臨床腦電信號采集過程中可能存在的干擾信號的特征，如工頻干擾、眼動、肌電干擾、心電干擾，設(shè)計了一種基于ICA的時空濾波器，該濾波器分兩個階段對腦電信號進(jìn)行濾波預(yù)處理：第一個階段是時域濾波，用傳統(tǒng)的帶通

5、濾波器實現(xiàn)，實現(xiàn)對初始信號的“粗濾”；第二個階段是空域濾波，用基于獨立分量分析(ICA)的空域濾波器實現(xiàn)。實驗表明該濾波器能夠有效地抑制了臨床腦電信號中的常見干擾。
　　 ③應(yīng)用40Hz腦電信號作為思維狀態(tài)的特征信號，對思維狀態(tài)下的腦電信號進(jìn)行了分析和研究，解決了非線性分析的有效數(shù)據(jù)選擇問題使得分析結(jié)果更為合理和可靠，得出了有益結(jié)果。通過臨床試驗研究表明正常人不同狀態(tài)下、左右半腦、以及不同年齡段的人認(rèn)知過程中的40HzERP值不

6、同，40Hz腦電信號能夠反映大腦的思維變化規(guī)律，可以作為臨床大腦思維分析的一種手段。
　　 ④運用非線性混沌理論對認(rèn)知狀態(tài)下的腦電信號進(jìn)行了分析研究，通過計算腦電信號的分?jǐn)?shù)維值、Lyapunov指數(shù)、Kolmogorov復(fù)雜度等多項非線性動力學(xué)參數(shù)，研究正常人在不同的思維過程中或病人在病理狀態(tài)下這些參數(shù)的變化規(guī)律，研究具有認(rèn)知功能障礙的人在思維過程中這些參數(shù)的變化規(guī)律，找出正常人與認(rèn)知功能障礙患者的特征指標(biāo)，從而實現(xiàn)對認(rèn)知功能客

7、觀評價方法；進(jìn)行臨床研究，提出具有臨床應(yīng)用價值的大腦認(rèn)知功能客觀評價方法。臨床試驗表明分?jǐn)?shù)維值在人腦不同的認(rèn)知過程中也會呈現(xiàn)不同變化，通過統(tǒng)計分析找出其變化規(guī)律，可有助于對人腦思維的分析。
　　 ⑤運用非線性混沌理論對心率變異信號進(jìn)行了分析研究，研究了HRV信號的分?jǐn)?shù)維數(shù)，Lyapunov指數(shù)和Kolmogorov復(fù)雜度的臨床意義。通過藥物注射臨床試驗和心臟病與腦卒中患者的HRV臨床數(shù)據(jù)分析，研究非線性動力學(xué)參數(shù)的臨床意義，結(jié)果