癫痫脑电的分类识别及自动检测方法研究

【摘要】癫痫发作是脑内神经元阵发性异常超同步化电活动的临床表现,具有反复性、突发性和暂时性等特点。作为研究癫痫发作特征的重要工具,脑电图所反映的发作信息是其他生理学方法所不能提供的。利用信号处理技术和模式识别方法自动检测癫痫脑电信号,对于减轻医生负担并提高癫痫的诊断效率具有重要意义。目前,在脑电信号的分析研究中,非线性动力学的应用为癫痫脑电的识别提供了更加丰富的重要信息,但是多数非线性脑电特征具有较复杂的计算过程,无法保证检测算法的实时性。同时,传统的“脑电特征提取+分类器”的自动检测方法会提取多个脑电特征,然后组成特征向量或进行特征选择,这样进一步加剧了算法的计算复杂度,并且增加了特征选取的难题。本文立足于脑电信号的特征提取、分类识别和癫痫发作的自动检测的研究,围绕脑电信号的非线性特征提取、分形特性以及基于稀疏表示的脑电分类等内容展开以下研究：首先,本文将非线性动力学的重要分支——分形几何理论应用到脑电信号的分析与处理中。将常用于图像分形计算的微分盒维算法引入到一维脑电信号的分形分析中,计算了脑电信号的盒维数及其分形截距,并发现与盒维数相比,其分形截距能够更好的区分癫痫发作期和间歇期的脑电。之后,本文又通过改进毯子覆盖技术计算出脑电信号的多尺度毯子维及其分形截距,并发现在不同尺度上它们在临近癫痫发作前均会出现明显变化。其次,本文基于所提出的脑电分形特征进一步提出了癫痫发作检测与预测方法。将脑电信号的微分盒维的分形截距作为其非线性特征,然后结合极端学习机(ELM)分类器,提出了一种适于多导长程脑电的癫痫发作检测方法。采用BLDA算法对脑电的多尺度毯子维及其分形截距在发作前期的变化进行检测,从而实现了对癫痫发作的预报。实验验证的结果不仅说明了本文所提出的脑电分形特征的有效性,而且体现了所提出的检测和预测方法的良好性能。再次,本文依据稀疏表示分类方法,提出了一种基于Kernel稀疏表示的癫痫脑电识别算法。在该方法框架中,先通过求解最小l1范数优化问题求得待测脑电在脑电训练集上的稀疏表示系数,然后,分别计算发作期训练样本和间歇期训练样本对待测脑电的稀疏表示重构误差,通过比较误差的大小来确定待测脑电的类别。与常见的“脑电特征提取+分类器”的脑电分类方法不同,基于稀疏表示的脑电识别方法避免了脑电特征提取和选择的问题,更加完整地保留了脑电信号所携带的信息。为了进一步提高识别效果,本文将核函数技术与稀疏表示分类方法相结合,通过预先增强脑电样本的可分性来进一步提高对癫痫脑电的识别率。实验结果表明,基于Kernel稀疏表示的脑电分类方法取得了更加理想的分类性能。最后,在基于稀疏表示的癫痫脑电识别方法的基础上,进一步将计算待测脑电稀疏表示系数过程中所利用的最小l1范数优化问题替换为最小l2范数优化问题,从而可以通过正则化最小二乘算法(RegularizedLeastSquare,RLS)解析地求得待测脑电的稀疏系数,避免了复杂的迭代运算,大大降低了算法的复杂性。由于改进后的方法强调来自所有类别的训练样本对测试样本的协作表示所起到的关键作用,因此称为协作表示分类方法。同样,本文将核函数技术与协作表示分类方法相结合,并且将两类脑电训练样本所对应的重构误差相减,所得的差值作为输出的决策变量,从而引入了平滑滤波等后处理环节,提出了较为完善的基于Kernel协作表示的癫痫发作检测方法。利用连续长程脑电数据对该方法的性能进行评价,实验发现,所提出的检测方法不但取得了较理想的检测结果,而且其较快的运算速度基本符合实时在线的发作检测的需求。本文的研究工作将有助于进一步推动癫痫自动检测在技术理论、算法和临床应用方面的研究,对于脑电信号的非线性特征提取、分形理论在脑电分析中的应用以及脑电信号的稀疏表示分类方法起到了积极的推进作用。由于实验所用脑电数据的局限性,本文所提出的几种癫痫脑电识别和自动发作检测方法还需要更大量的临床脑电数据来进一步验证它们的性能。
【作者】袁琦；
【导师】周卫东；
【作者基本信息】山东大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】脑电信号；癫痫发作；分形特征；微分盒维；毯子覆盖技术；稀疏表示；核函数技术；协作表示；

【参考文献】
[1]陈昆.岳阳君山银针营销策略研究[D].中南林业科技大学,农村与区域发展,2013,硕士.
[2]李立文.钢绞线网片—聚合物砂浆加固RC梁抗剪性能试验研究[D].华侨大学,结构工程,2014,硕士.
[3]王琪.新建地方本科院校的就业指导服务中心建设研究[D].中南民族大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[4]李昂,高瑞泽.论电网公司市场势力的削弱——基于大用户直购电政策视角[J].中国工业经济,2014,06:147-159.
[5]陈子君.基于PIC的水情远程遥测终端监控系统的设计与应用[D].新疆大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[6]李睿.汽车工业集成化供应链的构建、管理与评价[D].武汉理工大学,2005.
[7]桂银生.网络新闻传播的交互性研究[D].中国社会科学院研究生院,新闻学,2003,硕士.
[8]王凤丽.技术引进政策对经济增长的作用研究[D].天津财经学院,国际贸易学,2004,硕士.
[9]王丽竹,金静芬,陈水红.急诊急救专科护士培训现状与展望[J].浙江创伤外科,2014,04:691-693.
[10]凌玉华.14位A/D转换器ADC1130及其在微机动态轨道衡中的应用[J].冶金自动化,1993,03:46-47.
[11]袁文强.Ⅱa型Hangman骨折力学不稳及治疗方法选择[D].遵义医学院,骨外科学（专业学位）,2012,硕士.
[12]孙美洲.HP感染相关慢性胃病患者外周血胃蛋白酶原水平变化的临床意义[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[13]郭盛芳,张长春,张汉亚.城市投资环境评价系统的设计[J].计算机工程与应用,2002,12:243-244+247.
[14]马正午.数字工业园开发与建设的关键技术[J].电气时代,2005,08:150-154.
[15]王道德.FTY720诱导大鼠脊髓星形胶质细胞凋亡的机制研究[D].南京医科大学,骨科学,2013,硕士.
[16]王忠良.尾叶桉一级深度脱木素蒸煮及其漂白的研究[D].南京林业大学,林产化学加工工程,2004,硕士.
[17]其乐木格.翁牛特旗旅游资源开发与利用研究[D].内蒙古师范大学,中国少数民族史,2013,硕士.
[18]张雷.运输应激和禁食应激对AA肉鸡组织结构的影响及相关基因表达的研究[D].东北农业大学,遗传学,2013,硕士.
[19]付甜甜.美研制出微型石墨烯超级电容器[J].电源技术,2013,04:530-531.
[20]利剑一.混联式混合动力汽车EVT构型分析[D].吉林大学,车辆工程,2014,硕士.
[21]干宫川.高技能劳动力短缺与技术创新[D].山东大学,税务（专业学位）,2013,硕士.
[22]宁晶.实时三维超声心动图评价正常成人右心室整体与局部容积及收缩功能的实验研究[D].福建医科大学,影像医学与核医学,2014,硕士.
[23]杨钉钉.基于集成图像重建的虚拟视点图像阵列生成方法研究[D].西安电子科技大学,物理电子学,2012,硕士.
[24]袁静.国有企业监事会法律问题研究[D].首都经济贸易大学,经济法,2014,硕士.
[25]刘天武,何安瑞,杨荃,杨贵玲,崔庆胜.平坦度反馈控制系统在热连轧中的应用[J].冶金自动化,2010,04:22-26+31.
[26]吕炳旭.金属矿山地下水重金属污染特征及评价方法研究[D].石家庄经济学院,地质工程,2012,硕士.
[27]朱秀云.二次三角Bézier曲线的保形插值研究[D].湖南科技大学,应用数学,2013,硕士.
[28]马承飞.前瞻记忆的TAP效应在定向越野教学中的应用研究[D].山东师范大学,体育（专业学位）,2013,硕士.
[29]范锡新.基于CTI技术的小型呼叫中心的构建[D].电子科技大学,2003.
[30]刘晶.侦探小说《福尔摩斯冒险史》中的语用预设研究[D].哈尔滨工业大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[31]席雪红.河南省区域创新能力的空间分布特征分析[J].统计与决策,2014,15:144-146.
[32]席裕庚,王轶.基于算法图的并行计算优化[J].控制与决策,1997,01:8-13.
[33]陈冠林.红肉火龙果色素提取、纯化及其抗氧化、降血脂作用的研究[D].广东药学院,流行病与卫生统计学,2013,硕士.
[34]陈长明.患者知情同意权案例研究[D].黑龙江大学,法律,2013,硕士.
[35]丁杨.重组人乳头瘤病毒HPV 11 E7蛋白的表达及其多克隆抗体的制备和鉴定[D].浙江大学,皮肤病与性病学,2014,硕士.
[36]高雪.中国手机媒体规制研究[D].湖南大学,传播学,2011,硕士.
[37]张春梅.特发性血小板减少性紫癜外周血淋巴细胞共刺激分子、淋巴细胞亚群的表达及意义的研究[D].青岛大学,临床血液学,2004,硕士.
[38]杨楠.热处理对牦牛乳酪蛋白性质影响的研究[D].甘肃农业大学,营养与食品卫生学,2013,硕士.
[39]李祖平,陈文强,王世锋.上虞:多层次协同创新驱动转型升级[J].今日科技,2014,12:15-20.
[40]杨志.前列腺按摩对良性前列腺增生患者PSA与组织学影响的研究[D].延安大学,外科学,2014,硕士.
[41]姜晋荣.扬州休闲旅游发展[D].扬州大学,旅游管理,2011,硕士.
[42]魏利娟.吸烟患者冠状动脉旁路移植术后生存质量的研究[D].河南科技大学,心胸外科（专业学位）,2014,硕士.
[43]郑燏涛.多个矩阵和的广义逆[D].兰州大学,计算数学,2013,硕士.
[44]黄彦婷.有限责任公司股东优先购买权制度研究[D].首都经济贸易大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[45]王莉.萧纲宫体诗研究[D].安徽师范大学,中国古代文学,2004,硕士.
[46]浩悦.关于委托行政处罚的案例分析[D].兰州大学,行政法学（专业学位）,2013,硕士.
[47]焦在强.单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究[D].中国科学院研究生院（电工研究所）,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[48]黄晓斌.HTML向XML转换的研究[J].现代图书情报技术,2003,01:18-21.
[49]田凤.冷藏南美白对虾生物防腐保鲜技术的研究[D].广东海洋大学,食品加工与安全（专业学位）,2013,硕士.
[50]王正欧,林燕.一种新的基于记忆的归纳学习算法[J].自动化学报,1994,06:759-761.