脑电磁源定位算法研究及其在初级听觉皮层定位中的应用

论文摘要

脑电图/脑磁图具有无创性和精确到毫秒的时间分辨率等特性而成为一项重要的研究脑神经活动的工具。时空脑电源成像技术MUSIC和Beamformers具有三个特点:一充分利用数据的时间特征;二避免陷入单时刻偶极子拟合优化过程中的局部极小值;三能够获得源的时间过程,获得广泛关注和应用。然而,由于他们都是基于数据相关矩阵的二阶统计量的方法,哪么就隐含了一个约束条件:源之间的时间过程应该是独立的或者不相关的。在实践中,这两种方法对高度相关源比较敏感,会导致较大偏差或者定位失败。而且,对于Beamformers,源之间的相关会导致重建波形畸变。为了解决这个问题,我们通过改进经典的方法,提出了自己的方法来改善或者解决这些问题。本论文的主要创新点如下:1.设计特别的变换矩阵,把原始的记录变换到新的数据空间。在变换过程中,压制掉相干干扰源区的活动,从而移除它对定位的影响。在新的数据空间应用经典的时空定位方法将会得到相干源的正确定位。2.相干干扰源区压制的方法有一个缺点,当源在区域的边缘时,定位误差较大。我们提出了加权源区压制的方法,可以自适应地压制相干干扰源,极大地提高了这种情况下的定位性能。3.对于Beamformers,由于源间的相关,将导致重建的波形发生较大的畸变。我们提出一种迭代Beamformers来改善性能。这种方法通过点源压制的方法,移除源间的相互影响,可以合理精确地重建相关源的时间过程。4.经典的时空源定位方法有两个弱点:不能定位高度相关源,尤其距离较近;强源附近的弱源定位有困难,尤其是能量差很大的情况。我们提出了基于噪声不变性的方法NOISE,可以解决这个问题。NOISE可以在合理的噪声下,定位高度相关和/或距离较近的源,对于能量相差大的源也能定位。我们也通过模拟测试和真实数据测试,证明了以上四种方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 脑电的生物物理基础
• 1.1.1 大脑的解剖结构
• 1.1.2 神经细胞的生物电现象
• 1.1.3 脑电的发生机制
• 1.1.4 事件相关电位（ERP）
• 1.2 脑电源定位的意义
• 1.3 相干脑电源
• 1.4 脑电源反演的相关理论
• 1.4.1 脑电研究中的头模型
• 1.4.2 脑电正问题
• 1.4.3 脑电逆问题
• 1.4.4 导联矩阵（传递矩阵）G 的计算
• 1.5 本文的选题和研究内容
• 1.6 本论文的章节安排
• 第二章 变换空间的相干脑电磁源定位
• 2.1 引言
• 2.2 方法
• 2.2.1 MUSIC 算法回顾
• 2.2.2 MUSIC 不能定位相干源的原因
• 2.2.3 变换数据空间定位
• 2.2.4 算法步骤
• 2.3 模拟实验
• 2.3.1 模拟实验的设置
• 2.3.2 评估指标和信噪比定位
• 2.3.3 模拟实验
• 2.4 真实AEF 重建
• 2.5 讨论
• 2.5.1 压制区域奇异值成分的选择
• 2.5.2 压制区域源位置的变化对定位精度的影响
• 2.5.3 压制区域大小的选择
• 2.5.4 变换矩阵设计
• 2.5.5 变换后数据处理
• 2.6 结论和讨论
• 第三章 基于加权源区压制的波束形成算法
• 3.1 引言
• 3.2 方法
• 3.2.1 经典的Beamformer
• 3.2.2 Beamformer-CS
• 3.2.3 Beamformer-WCS
• 3.3 模拟研究
• 3.3.1 模拟设置和评估指标
• 3.3.2 两种方法比较：当干扰源位于压制区域中心
• 3.3.3 两种方法比较：干扰源位于压制区域的边缘
• 3.4 应用于真实AEF
• 3.5 讨论
• 3.5.1 选择的特征向量成分数目对方法的定位性能的影响
• 3.5.2 信噪比对两种方法的定位性能的影响
• 3.6 结论
• 第四章 迭代的波束形成用于波形重建
• 4.1 引言
• 4.2 方法
• 4.2.1 矢量最小方差Beamformer 估计波形
• 4.2.2 新方法-相关干扰压制
• 4.3 计算机模拟实验
• 4.3.1 数据产生
• 4.3.2 模拟实验一：两种方法重建波形的性能比较
• 4.3.3 模拟实验二：噪声对波形成重建的影响
• 4.4 真实数据测试
• 4.5 结论和讨论
• 第五章 基于噪声不变性的脑电磁源定位
• 5.1 引言
• 5.2 方法和理论
• 5.2.1 子空间为基础的方法：MUSIC 和RAP-MUSIC
• 5.2.2 自适应空间滤波器
• 5.2.3 新的方法NOISE
• 5.3 仿真和结果
• 5.3.1 模型配置和参数定义
• 5 3.2 相近源的识别
• 5.3.3 两个半球的对称源的定位
• 5.3.4 大强度差异的源
• 5.3.5 NOISE 中h 参数选择
• 5.3.6 选定的噪声子空间维数（DIM）对定位结果的影响
• 5.3.7 方法之间的性能比较
• 5.4 应用到真实听觉诱发电位AEF
• 5.5 讨论
• 5.5.1 NOISE 对高度相关的源有效
• 5.5.2 NOISE 对不同强度的源有效
• 5.5.3 NOISE 对于参数h 和DIM 比较稳健
• 5.6 结论
• 第六章 工作总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士期间的研究论文成果