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首页MATLAB+GUI驱动的脑电网络分析系统:算法创新与应用
该篇毕业论文深入探讨了基于MATLAB和图形用户界面(GUI)的脑电网络分析系统的研究。随着脑科学研究的重视程度提升,脑电图(EEG)成像技术和网络分析方法在理解大脑功能和疾病机制中扮演着关键角色。本文旨在解决现有脑电分析软件在系统化脑网络分析方面存在的不足。 首先,作者依托BCI团队二十六年来的研究成果,对脑电数据分析处理技术进行了优化和创新,构建了完整的系统框架,实现了核心算法的开发。这包括处理数据的多样性,能够有效地处理不同来源的脑电数据,如坏导、噪声和伪迹等问题。通过剔除坏导、采用零参考技术、滤波和改进的ICA算法,确保了数据的准确性和有效性。 其次,系统从多维度解析脑电信号特性,涵盖了时域分析(如Welch方法计算功率谱估计)、频域分析(PCA和ICA分离信号成分)、以及空间分布分析(MNS方法确定脑源定位)。三维可视化使得研究结果更直观,便于科研人员理解大脑各区域的功能交互。 网络分析在脑科学领域的重要性不言而喻,论文中不仅探讨了无向加权网络的相关、相干、相位同步和相位滞后测量,还扩展到了有向网络的格兰杰因果性和定向传递分析。这些方法有助于揭示脑网络结构和功能,对于理解神经疾病的发病机制和寻找潜在的治疗策略具有重要意义。 这篇论文提供了一个实用的工具,能够支持研究人员高效地进行脑电网络分析,促进脑科学研究的深入,推动相关产业的发展,同时也为未来的脑机接口和人工智能应用打下了坚实基础。通过MATLAB和GUI的结合,该系统简化了复杂的数据处理流程,提高了分析效率和结果的可靠性,是当前脑电研究领域的一个重要贡献。
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第一章 绪论
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用又为结构网络的形成和重塑提供可能。当前,脑网络研究并非仅仅处于实验室研
究阶段,它在临床应用上也有很重要的地位,尤其对神经性疾病诊断和治疗。目前,
脑网络研究已经成功地应用在了包括老年痴呆症,郁抑症,自闭症,精神分裂症以
及癫痫早期检测和诊断等方面
。这些应用主要基于功能磁共振成像
,,结构磁功能成像
,,脑电图,脑磁图,等成像技术。
通过对正常人和病人大脑网络研究,通过脑网络之间的差异来反映病人功能脑网
络上的异常情况,探究正常和异常状态下两种网络在拓扑结构和网络属性指标,并
进行及时的诊断和治疗
。
1.2.3 脑网络研究方法
复杂脑网络能够很好反应大脑中各个脑区间的信息交互,功能整合,是解释大
脑有效的研究方法。本文中采用常规的脑电成像技术,通过各种网络测度方法对相
应的脑网络进行功能性描述。构建脑网络以及定量分析主要包含以下四个步骤:
a) 信号的预处理:其中有去除采集数据中的坏道,去除外界干扰和内在
因素噪声,去除眼电、心电或者肌电伪迹,滤波提取特定频段的数据。
b) 量化脑电信号各导联间相互的关系,即度量网络邻接矩阵。通常情况下,
对于功能性网络有相干
,相关
,相位同步
,相位滞后
四种量化
算法。对于因果性网络有另外四种度量方法,即格兰杰因果
,定向传
递函数
,自适应定向传递函数
,部分定向相干
。这些方法有各自的
特点和适用场合。通过功能网络度量方法获得邻接矩阵是对称阵,无向加
权网络仅仅能体现节点间的连接强度,其值在之间。采用因果网络度
量方法得到的邻接矩阵往往不是对称阵,有向加权网络不仅可以体现节点
间的连接强度,还能体现节点间的信息流向。
c) 确定阈值并构建头皮网路。得到节点间的邻接矩阵后,对于加权网络通常
设定一个合适的阈值以在保证网络完整连通性的情况下,以最少的连接边
来反映各个节点间的连接关系。各 个节点间是否存在连接边取决于对应导
联间的连接强弱,当连接强度大于阈值时,对应的节点间会存在一条连接
边,反之则没有连接边。还能通过连接边粗细来反映节点间的连接强弱,
连接边越粗,表示节点间的信息交互越强,反之越弱。在无向加权网络中
通过设置阈值将邻接矩阵二值化为 矩阵得到二值的无权网络。
d) 采用复杂网络分析方法对所建立的脑网络进行分析,即通过度,度分布,
特征路径长度、聚类系数、全局效率,局部效率等指标来量化网络属性,
电子科技大学硕士学位论文
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并揭示这些特征参量的生理意义。
功能脑网络中的二值化网络和加权网络都是无向网络,仅仅可以定量表征脑
区间的连接和网络属性,但是不能体现节点间信息交互的方向。为了量化 信
号之间的连接关系,目前主要有以下八种方法来度量无向网络和有向网络:
a) 相干
:它表示两个节点对应脑电信号间特定频域下的线性关系。通过幅
值平方相干函数来刻画。
b) 相关
:基于两个变量与各自均值的离差,通过积方差来反映两个变量之
间的相关程度。如对各个导联间的脑电数据两两之间进行计算来研究两个
变量间的线性关系的程度。
c) 相位同步
:采用相位锁时值,来测量两个信
号在某一窄带频率的相位同步化显著性。 计算信号相位同步的核心思
想是假设检验,先零假设两导信号无明显的相位同步,再计算统计相位值,
如果该值大于某个阈值(归一化 值, 表示完全不同步, 表示完全
同步),则拒绝零假设认为信号间存在明显同步。使用希尔伯特变换
方法来计算信号的瞬时相位。
d) 相位滞后指数
:用于计算两个信号间的相位差分布的不对称性,能够反
映一个信号相对于另一个信号相位超前或者滞后的一致性。与 PLV 相比,
PLI)的优点在于它受信号容积效应和参考电极的影响小,
着重研究信号间的耦合关系。PLI 通过计算相位差分布的不对称性,来对
同一信号源相位同步性的估计。
e) 格兰杰因果(,
:体现的是基于预测因果推断的
一种数据驱动,统计时间系列的方法。对于信号 X 和 Y,借助 Y 信号过去
的信息来预测 X 未来的结果,要比仅用 X 的过去信息对 X 进行的预测效
果好,则说明 Y 是 X 的原因,X 是 Y 的结果。
f) 定向传递函数 ,
:基于 和多变量自
回归模型
,在频域上,通过系统的传递矩阵来反应信号间的连接关系和
谱特性。对多变量和多通道信号同样适用。
g) 自适应定向传递函数
:用于揭示不同的脑区之间不同频率下随时间变化
的 连接 关 系, 基 于多 变 量自适 应自 回 归 (Multi-variable Adaptive Auto
Regression,MVAAR)
[37]
模型的一种时变的 方法。
h) 部分定向相干,
:和 DTF 一样都是基于
和多变量自回归模型Multi-variable Auto Regression,)
用于
计算信息之间的因果关系的方法。但是和 不同的是 基于的
第一章 绪论
7
模型的系数矩阵而不是传递矩阵。
1.3 本文研究内容
本文针对脑电数据分析处理过程中,代码复杂,复用率低,全面性不足,研究
效率低等缺点。基于本实验室近二十六年来在脑电数据分析处理技术上的积累,在
脑电信号处理方法上的多种创新理论,同时学习目前相关的成熟处理脑电算法及
其关键技术的实现,设计实现全界面化,操作简单,功能全面,运行稳定脑电数据
分析处理系统。详细的研究内容如下:
a) 编写系统设计文档,对功能可行性分析,搭建总体框架,实现核心算法。
b) 由于脑电采集系统的“百花齐放”,产生了多种格式的脑电数据,系统首
先实现对通用的数据的读取和显示。其次对载入的数据进行预处理,其中
包括数据采集时导致的坏道数据进行剔除和修复;采用
参考变
换,将其他任何形式的参考转换到无穷远参考,从而得到真实的脑电数据;
利用 滤波器
实现对数据的带通,高通,低通滤波得到想研究的频段
和 陷 波 器
实 现 滤 出 工 频 干 扰 ; 使 用 改 进 的
算法,
对脑电信号独立成分分离,去除其中的伪迹成分,得到干净
的脑电信号,给接下来的数据处理提供保障。
c) 脑电时空分析部分,采用 方法
计算功率谱估计得到信号的在频
域上的特性;对数据进行
分析,实现分离成分的时域显示
以及空间上的分布。针对脑电逆问题,系统使用最小模解
,
定位,实现数据段在 真实意大利头模型(皮层模型
和头皮模型)上激活区的显示。
d) 核心模块网络分析部分,系统集成了四种度量无向网络算法,分别是相关,
相干,相位同步,相位滞后;另外有四种度量有向网络算法,分别是格兰
杰因果,定向传递函数,自适应定向传递函数,部分定向相干。直观上系
统通过 简易模型和 真实模型下的网络拓扑图反映节点之间信息
交互。通过表格形式显示特征路径长度,聚类系数,全局效率,局部效率
四个网络属性,从数值上体现网络整体特征。针对脑电具有很大的特异性,
系统提供了批量数据处理界面和统计分析功能,用于将批处理得到的结果
进行统计分析,获得有说服力的结果。
1.4 本文结构安排
本论文主要实现脑电网络分析系统,全文结构安排包含以下六个章节:
电子科技大学硕士学位论文
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第一章,绪论,主要介绍论文的研究背景及意义,国内外研究现状和发展趋势,
本文研究内容和结构安排。
第二章,系统分析与设计,简单介绍了系统需求,设计思想,系统框架,各个
独立模块的功能。
第三章,数据预处理,实现数据的读取与显示;坏道数据的剔除和修复,不同
参考方式转换,对数据进行滤波以及伪迹成分去除。
第四章,脑电时空分析,实现对脑电数据的频域分析,时域和空间分析,脑电
逆问题。
第五章,网络分析,本章为全文的核心章节,实现多种网络,不同方法下的邻
接矩阵的度量。网络拓扑图显示,刻画网络属性,数据批量处理与结果显示,统计
分析。
第六章,总结与展望,总结全文工作,对接下来的工作进行规划和展望。
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