CN111904415B - 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法 - Google Patents

一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111904415B
CN111904415B CN202010929950.8A CN202010929950A CN111904415B CN 111904415 B CN111904415 B CN 111904415B CN 202010929950 A CN202010929950 A CN 202010929950A CN 111904415 B CN111904415 B CN 111904415B
Authority
CN
China
Prior art keywords
brain
mutual information
information
information interaction
electroencephalogram
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010929950.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111904415A (zh
Inventor
孙长城
王春方
杜金刚
张颖
张洁
赵卓越
赵文畅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin People Hospital
Original Assignee
Tianjin People Hospital
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin People Hospital filed Critical Tianjin People Hospital
Priority to CN202010929950.8A priority Critical patent/CN111904415B/zh
Publication of CN111904415A publication Critical patent/CN111904415A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111904415B publication Critical patent/CN111904415B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/40—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4058—Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system for evaluating the central nervous system
    • A61B5/4064—Evaluating the brain
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7203—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes for noise prevention, reduction or removal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7225—Details of analog processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法：采集被测者持续的脑电信号；对脑电信号进行带通滤波；对滤波后的脑电信号数据进行去噪处理；计算去噪后的脑电信号数据中每两个导联间的互信息值，16导联信号共获120个互信息值；选取所述120个互信息值中最大的24个值作为有效互信息；做16导联互信息脑网络连接图；根据有效互信息值，判断出左右脑间的有效互信息个数，或根据16导联互信息脑网络连接图，找出左右脑间的有效互信息个数；计算左右大脑半球信息交互系数；根据左右大脑半球信息交互系数，评估大脑左右半球信息交互强度。本发明可直观定量化的描述左右脑间传递信息的能力，简单易行，便于理解推广。

Description

一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法
技术领域
本发明涉及一种评估大脑左右半球信息交互强度的方法。特别是涉及一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法。
背景技术
人类的大脑是中枢神经系统的最高级别部分，包括左右两个半球。上个世纪50年代，人们开始意识到人类的大脑左右半球是有分工的，后续研究者又逐步整理了左右大脑的详细功能差异。在日常生活中，常常需要左右大脑的协同工作，互相交互，平衡发展。目前对于如何判断左右大脑半球信息交互强度的技术手段还十分有限，定量化地判断左右脑的信息交互能力有助于深刻理解大脑的神经工作机制，为人类进一步深入探索大脑的奥秘提供帮助。
脑电信号(electroencephalogram，EEG)是大脑神经元放电在头皮上记录下来的微弱电信号，是大脑细胞群放电的总体反映，带有节律性，分为自发脑电信号和诱发脑电信号。EEG中包含大量的生理和病理信息，深入了解EEG的特性有助于探索大脑的神经机制，还可以辅助相关脑疾病的临床诊断。利提出利用自发EEG信号可以定量检测大脑左右半球间信息交流强度。
互信息(Mutual Information，MI)是信息论里一种有用的信息度量，它可以看成是一个随机变量中包含的关于另一个随机变量的信息量。假设两个随机变量(X，Y)，它们的联合分布为PXY(x,y),边缘分布分别为PX(x)、PY(y)，互信息MIXY的计算方法如公式(1)所示。
Figure BDA0002669862140000011
如果两个信号完全一样则互信息值为1。
人类的左右大脑半球各有分工，协同活动，左大脑半球的功能侧重于抽象思维、右大脑半球的功能侧重于形象思维，它们互为补充，相辅相成，构成了一个统一的控制系统。左右脑连接的桥梁是胼胝体，由两亿条神经纤维组成，起着联结左、右脑的联络网作用。目前，如何对左右大脑半球间的信息联络能力进行定量化描述，尚未有公认的统一方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种有助于深刻理解大脑的神经工作机制的基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集被测者持续的脑电信号S；
2)对脑电信号S进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的脑电信号数据Sf；
3)对滤波后的脑电信号数据Sf进行进一步去噪处理，得到去噪后的脑电信号数据Sc；
4)计算去噪后的脑电信号数据Sc中每两个导联(X，Y)间的互信息值MIXY，1≤X＜Y≤16，16导联信号共获120个互信息值MIXY；
5)选取所述120个互信息值MIXY中最大的24个值作为有效互信息；
6)做16导联互信息脑网络连接图；
7)根据有效互信息值MIXY，判断出左右脑间的有效互信息个数，或根据16导联互信息脑网络连接图，找出左右脑间的有效互信息个数；
8)计算左右大脑半球信息交互系数b，公式如下：
Figure BDA0002669862140000021
其中，n为左右脑间的有效互信息个数；
9)根据左右大脑半球信息交互系数b，评估大脑左右半球信息交互强度。
本发明的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，可以通过脑网络连接图直接观察左右脑交互情况，也可提供定量化的检测强度系数。本发明利用基于互信息的脑网络技术，可直观定量化的描述左右脑间传递信息的能力，本发明的方法简单易行，便于理解推广，为深入理解大脑的神经工作机制、促进儿童大脑的开发及脑神经系统相关疾病的诊疗提供辅助工具，为人类进一步深入探索大脑的奥秘提供帮助。
附图说明
图1是国际标准16导联10-20电极位置安放示意图；
图2是本发明一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法做出详细说明。
如图2所示，本发明的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，包括如下步骤：
1)采集被测者持续的脑电信号S；
包括给被测者佩戴16导联脑电采集电极帽，如图1所示，电极位置根据国际标准导联10-20系统位置进行安放，导联名称分别为：FP1、F3、C3、P3、O1、F7、T3、T5、FP2、F4、C4、P4、O2、F8、T4、T6，奇数编号为左脑导联，偶数编号为右脑导联。在采集过程开始要求被测者安静、放松、闭眼、正坐于椅子上，待被测者的脑电波形稳定后开始计时，持续采集设定时间的脑电信号S，如图2中的(a)图。
2)对脑电信号S进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的脑电信号数据Sf；
3)对滤波后的脑电信号数据Sf进行去噪处理，得到去噪后的脑电信号数据Sc，如图2中的(b)图；
具体是将脑电信号数据Sf中因受各种噪声干扰导致不符合设定的质量要求的数据段剔除，最后留取2～3分钟符合设定的质量要求的脑电信号数据Sc；
4)计算去噪后的脑电信号数据Sc中每两个导联间X，Y间的互信息值MIXY，1≤X＜Y≤16，16导联信号共获120个互信息值MIXY，是采用如下公式计算两个导联间的互信息值MIXY：
Figure BDA0002669862140000031
其中，X＝{x1,x2,x3,…,xn}、Y＝{y1,y2,y3,…,yn}，xi为第i时刻X导联的脑电数值，yj为第j时刻Y导联的脑电数值，n为脑电数据长度，PX(x)为X导联的边缘分布、PY(y)为Y导联的边缘分布，PXY(x,y)为X导联和Y导联的联合分布；如图2中(c)所示为MI值矩阵。
5)选取所述120个互信息值MIXY中最大的24个值(占总数的20％)作为有效互信息，如图2(d)中黑色方块代表两个导联间的互信息为有效互信息；
6)做16导联互信息脑网络连接图，是将具有有效互信息的两个导联用直线连接，得到16导联互信息脑网络连接图，以便直接观察左右脑交互情况，如图2(e)所示；
7)根据16导联互信息脑网络连接图，找出左右脑间的有效互信息个数。是在24个有效的互信息值MIXY中，若两个导联X、Y的导联编号中一个为奇数、另一个为偶数，则该互信息值MIXY为左右脑间的有效互信息，否则不是，据此计算出左右脑间的有效互信息个数n。亦可根据16导联互信息脑网络连接图，找出左右脑间的有效互信息个数n；
8)计算左右大脑半球信息交互系数b，公式如下：
Figure BDA0002669862140000032
其中，n为左右脑间的有效互信息个数；24为全脑的有效互信息数。
9)根据左右大脑半球信息交互系数b，评估大脑左右半球信息交互强度，具体是：左右大脑半球信息交互系数b的值越大说明左右脑之间的信息交互能力越强，反之，左右大脑半球信息交互系数b越小说明左右脑之间的信息交互能力越弱，左右大脑半球信息交互系数b值介于0～1之间。

Claims (6)

1.一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集被测者持续的脑电信号S；
2)对脑电信号S进行0.1～40Hz的带通滤波，得到滤波后的脑电信号数据Sf；
3)对滤波后的脑电信号数据Sf进行进一步去噪处理，得到去噪后的脑电信号数据Sc；
4)计算去噪后的脑电信号数据Sc中每两个导联(X，Y)间的互信息值MIXY，1≤X＜Y≤16，16导联信号共获120个互信息值MIXY；
5)选取所述120个互信息值MIXY中最大的24个值作为有效互信息；
6)做16导联互信息脑网络连接图；具体是将具有有效互信息的两个导联用直线连接，得到16导联互信息脑网络连接图；
7)根据有效互信息值MIXY，判断出左右脑间的有效互信息个数，或根据16导联互信息脑网络连接图，找出左右脑间的有效互信息个数；所述的根据有效互信息值MIXY，判断出左右脑间的有效互信息个数，是在24个有效的互信息值MIXY中，若两个导联X、Y的导联编号中一个为奇数、另一个为偶数，则该互信息值MIXY为左右脑间的有效互信息，否则不是；
8)计算左右大脑半球信息交互系数b，公式如下：
Figure FDA0004209155440000011
其中，n为左右脑间的有效互信息个数；
9)根据左右大脑半球信息交互系数b，评估大脑左右半球信息交互强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，步骤1)包括给被测者佩戴16导联脑电采集电极帽，电极位置根据国际标准导联10-20系统位置进行安放，导联名称分别为：FP1、F3、C3、P3、O1、F7、T3、T5、FP2、F4、C4、P4、O2、F8、T4、T6。
3.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，步骤1)中采集过程开始要求被测者安静、放松、闭眼、正坐于椅子上，待被测者的脑电波形稳定后开始计时，持续采集设定时间的脑电信号S。
4.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，步骤3)是将脑电信号数据Sf中因受各种噪声干扰导致不符合设定的质量要求的数据段剔除，最后留取2～3分钟符合设定的质量要求的脑电信号数据Sc。
5.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，步骤4)是采用如下公式计算两个导联间的互信息值MIXY：
Figure FDA0004209155440000012
其中，X＝{x1,x2,x3,…,xn}、Y＝{y1,y2,y3,…,yn}，xi为第i时刻X导联的脑电数值，yj为第j时刻Y导联的脑电数值，n为脑电数据长度，PX(x)为X导联的边缘分布、PY(y)为Y导联的边缘分布，PXY(x,y)为X导联和Y导联的联合分布。
6.根据权利要求1所述的一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法，其特征在于，步骤9)中左右大脑半球信息交互系数b的值越大说明左右脑之间的信息交互能力越强，反之，左右大脑半球信息交互系数b越小说明左右脑之间的信息交互能力越弱，左右大脑半球信息交互系数b值介于0～1之间。
CN202010929950.8A 2020-09-07 2020-09-07 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法 Active CN111904415B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010929950.8A CN111904415B (zh) 2020-09-07 2020-09-07 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010929950.8A CN111904415B (zh) 2020-09-07 2020-09-07 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111904415A CN111904415A (zh) 2020-11-10
CN111904415B true CN111904415B (zh) 2023-06-16

Family

ID=73267497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010929950.8A Active CN111904415B (zh) 2020-09-07 2020-09-07 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111904415B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113080998B (zh) * 2021-03-16 2022-06-03 北京交通大学 一种基于脑电的专注状态等级评定方法和系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190117105A1 (en) * 2011-01-12 2019-04-25 Widex A/S Bi-hemispheric brain wave system and method of performing bi-hemispherical brain wave measurements
CN106295225B (zh) * 2016-08-26 2020-07-28 复旦大学 基于互信息网络的睡眠呼吸暂停综合征的检测系统
CN108021873B (zh) * 2017-11-22 2022-02-15 湖北师范大学 一种聚类非对称互信息的脑电信号癫痫分类方法及系统
CN109492546B (zh) * 2018-10-24 2022-08-12 广东工业大学 一种融合小波包与互信息的生物信号特征提取方法
CN110353673B (zh) * 2019-07-16 2021-08-31 西安邮电大学 一种基于标准互信息的脑电通道选择方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111904415A (zh) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110765920B (zh) 基于卷积神经网络的运动想象分类方法
CN111477299B (zh) 结合脑电检测分析控制的声电刺激神经调控方法及装置
CN107463792B (zh) 神经反馈装置、系统及方法
CN112353407B (zh) 一种基于神经功能康复主动训练的评估系统及方法
CN112084879B (zh) 一种运动想象脑电的块选择共空间模式特征提取方法
CN112741637B (zh) P300脑电信号提取方法、认知康复训练方法及系统
CN111904415B (zh) 一种基于脑电信号评估大脑左右半球信息交互强度的方法
CN105942975A (zh) 基于稳态视觉诱发的脑电信号处理方法
CN106484106A (zh) 视敏度自动识别的非注意事件相关电位脑‑机接口方法
CN112861625A (zh) 一种堆叠去噪自编码器模型确定方法
do Nascimento et al. Movement-related cortical potentials allow discrimination of rate of torque development in imaginary isometric plantar flexion
CN113143296B (zh) 沟通障碍的智能评估方法及评估系统
CN113359991A (zh) 一种面向残疾人的智能脑控机械臂辅助进食系统及方法
CN112560703A (zh) 一种基于pf系数的多模态bci特征提取方法
CN116603229A (zh) 基于脑电信号的电子游戏难度动态调整方法
Park et al. Application of EEG for multimodal human-machine interface
CN115620751A (zh) 一种基于说话人语音诱发的脑电信号预测方法
CN112200066B (zh) 一种结合空间与频率的体感刺激脑机接口范式及实现方法
KR20140104662A (ko) 게임을 이용한 자기 조절능력 측정 방법
Zhao et al. Research on steady state visual evoked potential based on FBCCA
Qu et al. Pattern recognition of motor imagery EEG signal in noninvasive brain-computer interface
JP2003325467A (ja) 意思伝達支援装置、及び意思伝達支援ソフトウエア
CN116098619B (zh) 一种基于高频听觉稳态响应的抑郁症自动检测系统
Benevides et al. Review of the human brain and EEG signals
Gu et al. The effects of varying levels of mental workload on motor imagery based brain-computer interface

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant