CN106361328B - 一种磁共振环境下的脑电信号提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于神经信息技术领域，涉及一种脑电信号提取方法，具体提供一种磁共振环境下的脑电信号提取方法，用以提高微弱脑电信号提取的效率和精度，同时保留宽带的脑电信息，使得其能广泛应用于临床和科研；本发明首先预先记录无磁共振干扰的脑电信号，再记录磁共振环境下的脑电信号，然后采用两级自适应噪声抵消依次去除磁共振梯度噪声和工频干扰，最后采用平滑滤波器去除高频噪声，得到高质量脑电信号。本发明能够有效地去除磁共振梯度噪声、工频干扰、仪器的高频噪声，提取出高质量的脑电信号；且大大提高信号提取效率和精度。

Description

一种磁共振环境下的脑电信号提取方法
技术领域
本发明属于神经信息技术领域，涉及一种脑电信号提取方法，尤其涉及一种磁共振环境下的脑电信号提取方法。
背景技术
自发脑电是利用精密电子设备在头皮位置无创伤地记录下来的大脑细胞群的自发性生物电活动，该信号具有高的时间分辨率(毫秒量级)，低信号幅度(±100微伏以内)，易受噪声干扰。目前对自发脑电的分析更多集中在对其不同频段的功率谱分析上。近年，为了弥补自发脑电信号的空间分辨率，采用了脑电-磁共振信号同步记录设备同时采集脑电信号和磁共振成像信号，用高时间分辨率的脑电信号和高空间分辨率的磁共振信号互相融合，以获取更加准确的测量值。
然而在脑电-磁共振同步记录中，磁共振设备的磁场对脑电记录产生严重影响，测量的脑电信号中含有非常强的磁共振伪迹，伪迹产生的主要原因是梯度磁场切换引起的梯度噪声，由于脑电信号微弱，往往就会淹没在这种梯度噪声中。因此在磁共振设备开启时同步测量的脑电信号中，会包含自发脑电、磁共振设备的梯度噪声信号、设备的工频干扰及各种高频噪声等，因而需要提高自发脑电信号的信噪比。
针对上述问题，不同研究者提出了各种模型和技术方法试图去除磁共振的梯度噪声及相应的工频干扰、高频噪声，近年广泛使用的技术方法有低通滤波、自适应FIR滤波、叠加平均方法、主成分分解、独立成分分析方法等。但由于方法适用的局限性，现在还没有一种公认的磁共振环境下的脑电信号提取方法得到广泛应用，所以在实际应用中，要根据信号特点即先验知识来设计使用方法，如何获取先验知识又成了另一个问题，这也是发展这类方法所面临的困难之所在。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，提高微弱脑电信号提取的效率和精度，同时保留宽带的脑电信息，使得其能广泛应用于临床和科研，本发明提出一种基于两级自适应噪声抵消和平滑滤波器的脑电信号提取方法。利用自发脑电信号的平稳性质，在开启磁共振设备前就记录下自发脑电信号，利用该信号特征来去除磁共振的梯度干扰，再利用50Hz的余弦信号去除工频干扰，最后利用平滑滤波器去除机器的高频噪声，最终得到的脑电信号具有宽频、高信噪比特性。
其技术方案如下：
一种磁共振环境下的脑电信号提取方法，包括以下步骤：
A.在开启磁共振设备前，预先采用脑电测量设备记录一段脑电信号，获得无磁共振干扰的脑电二维信号(导联数×时间样本点)；然后开启磁共振设备，连续同步记录脑电信号，获得磁共振环境下的脑电二维信号；
B.提取出某一个导联信号，先进行去趋势的预处理，再采用第一级自适应噪声抵消方法去除磁共振梯度噪声：自适应噪声抵消器的主输入为无磁共振干扰的脑电二维信号，自适应噪声抵消器的参考输入为磁共振环境下的脑电二维信号(包含有用的脑电信号和磁共振对其的干扰信号)，自适应噪声抵消器的输出即为去除磁共振梯度噪声的脑电信号；
C.采用第二级自适应噪声抵消方法去除工频干扰：将步骤B去除磁共振环境下的噪声的脑电信号作为参考输入，50Hz的余弦信号作为主输入，自适应噪声抵消器的输出即为去除工频干扰的脑电信号；
D.最后采用平滑滤波器，去除高频噪声；
E.重复上述步骤B，C，D，依次获得每个导联信号去噪后的脑电信号。
本发明的有益效果：
利用本发明提出的一种磁共振环境下的脑电信号提取方法能够有效地去除磁共振梯度噪声、工频干扰、仪器的高频噪声，提取出高质量的脑电信号。该方法通过无磁共振梯度噪声的脑电信号进行自适应抵消，充分利用了脑电信号的平稳各态遍历性，同时考虑到工频干扰和高频噪声，进一步提高了宽带下的脑电信号提取的有效性和鲁棒性。利用两级自适应噪声抵消和平滑滤波器的结合可以极大地降低脑电信号中的磁共振梯度噪声、工频干扰、高频噪声，获得高质量的自发脑电信号，提高测量数据的可用性和质量。
附图说明
图1是本发明的主流程图。
图2是未开启磁共振设备下记录的一道脑电时域波形图。
图3是未开启磁共振设备下记录的一道脑电功率谱图。
图4是磁共振开启前后记录的脑电时域波形图。
图5是磁共振开启后记录的脑电功率谱图。
图6是本发明的两级自适应噪声抵消加20点平滑滤波后的脑电时域波形图。
图7是本发明的两级自适应噪声抵消加20点平滑滤波后的脑电功率谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
如图1所示，一种磁共振环境下的脑电信号提取方法，包括以下步骤：
A.在开启磁共振设备前，先采用64导联的脑电测量设备记录一段脑电信号，获得一个二维信号(导联数×时间样本点)；图2显示O2电极的1.6秒长的脑电信号数据，是微伏量级；图3显示该信号的功率谱特性，有明显的脑电alpha波存在，也有相应的50Hz工频干扰及倍频干扰。然后开启磁共振设备，连续同步记录脑电信号，获得在磁共振环境下的脑电二维信号；图4显示在开启磁共振设备前后的O2电极的脑电信号，可以看到非常明显的磁共振梯度噪声的影响，噪声数量级是毫伏，几乎把脑电信号完全淹没了；图5显示该信号的功率谱特性，这时脑电alpha波已经完全被噪声淹没了，有相应的50Hz工频干扰及倍频干扰，及强的高频噪声干扰。
B.提取出某一个导联信号，先进行去趋势的预处理，再采用自适应噪声抵消方法去除磁共振环境下的噪声，自适应噪声抵消器的主输入是先记录的无磁共振干扰的脑电信号，自适应噪声抵消器的参考输入为磁共振环境下的脑电信号，包含有用的脑电信号和磁共振对其的干扰信号，自适应滤波器的输出就是去除了磁共振环境下的噪声的脑电信号。这里自适应噪声抵消器的步长选择非常重要，与测量信号有关，选择为0.0000001效果最佳。
C.采用第二级自适应噪声抵消方法去除工频干扰：把上一步骤的去除了磁共振环境下的噪声的脑电信号作为参考输入，50Hz的余弦信号作为主输入，自适应滤波器的误差信号就是去除了工频干扰的脑电信号，在这里步长选择为0.01效果最佳。
D.最后采用平滑滤波器，去除高频噪声；图6显示处理后O2电极信号波形，梯度噪声基本被去除，图7显示了处理后O2电极信号功率谱，明显看到了脑电alpha波，同时50Hz工频干扰和高频噪声被压制了，这里选择20点平滑效果最佳。
E.重复上述B，C，D步骤，依次获得每个导联的去噪后的脑电信号。
比较图3、图5、图7，可以明显观察到本发明的优势，图3显示无磁共振噪声时的功率谱，有明显的alpha波特征，但也能观察到工频(50Hz、150Hz、250Hz、450Hz)和高频干扰，图5更加明显表达了磁共振设计开启后对脑电信号各个频段的大干扰，图7是处理后的功率谱图，有明显的alpha波特征，同时与脑电设备单独记录及预处理后的脑电信号功率谱一致，但又保持了宽频信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种磁共振环境下的脑电信号提取方法，包括以下步骤：
A.在开启磁共振设备前，预先采用脑电测量设备记录一段脑电信号，获得无磁共振干扰的脑电二维信号；然后开启磁共振设备，连续同步记录脑电信号，获得磁共振环境下的脑电二维信号；
B.提取出某一个导联信号，先进行去趋势的预处理，再采用第一级自适应噪声抵消方法去除磁共振梯度噪声：自适应噪声抵消器的主输入为无磁共振干扰的脑电二维信号，自适应噪声抵消器的参考输入为磁共振环境下的脑电二维信号，自适应噪声抵消器的输出即为去除磁共振梯度噪声的脑电信号；
C.采用第二级自适应噪声抵消方法去除工频干扰：将步骤B去除磁共振环境下的噪声的脑电信号作为参考输入，50Hz的余弦信号作为主输入，自适应噪声抵消器的输出即为去除工频干扰的脑电信号；
D.最后采用平滑滤波器，去除高频噪声；
E.重复上述步骤B，C，D，依次获得每个导联信号去噪后的脑电信号。
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