[發明專利]一種基于腦電波的構建動態腦功能網絡方法

在審

• 申請號: 201910510415.6
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN110353666A
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 李剛;許艷亭;丁茹伊;劉偉;焦衛東;蔣永華
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: A61B5/0476
• 分類號: A61B5/0476;A61B5/00
• 代理公司: 麗水創智果專利代理事務所(普通合伙) 33278
• 代理人: 張玲利

本發明涉及一種基于腦電波的構建動態腦功能網絡方法，包括以下步驟：依據10?20電極定位系統，采集受試者腦電波，并進行數據預處理；計算動態功能連接，構建全連接動態鄰接矩陣；依據三角形模體、功能連接強度和節點間相對位置設計動態腦功能網絡構造方案，即遍歷所有節點尋找三角形模體，要求三角形模體對應的三條邊的功能連接強度滿足三邊關系，并根據節點間的相對位置關系要求三角形模體內部沒有節點、邊上可以有節點，同時滿足上述兩個要求的邊在鄰接矩陣中保留，否則置為0；通過上述步驟，將鄰接矩陣轉化為動態腦功能網絡。該方法本質上是按照一種自動化原則去除弱功能連接，且無需人工設定閾值，具有很強的可行性和實用性。

技術領域

本發明涉及一種基于腦電波的腦功能分析方法，具體涉及一種基于腦電波的構建動態腦功能網絡方法，屬于生物醫學信息處理技術領域。

背景技術

人腦是一個極其復雜的系統，研究人員將其構建成腦功能網絡系統來研究腦功能狀態的演變機制。

眾所周知，大腦皮層的不同區域有著不同的特定功能，但是任何一個簡單任務都不可能是由某個腦功能區域單獨完成，而是由不同大腦皮層區域之間相互協調、相互作用實現的。大腦皮層之間的這種相互關系即為腦功能連接。Friston對腦功能連接的定義為：大腦的任意兩個皮層區域在某一認知任務下功能上的相關程度，通常指神經元活動在時間上的關聯特性或統計依賴性。功能連接可看作腦功能網絡的邊，不同腦功能區域可抽象為腦功能網絡的節點，由此便將大腦構建成了腦功能網絡。

腦功能網絡是對大腦皮層中不同的神經元、神經元集群或腦區之間的動態神經活動交互關系的直觀表達。腦電波因為具有很高的時間分辨率，與大腦神經活動（突觸傳導為1毫秒量級，信息傳輸是幾百毫秒量級）同為毫秒量級，能夠準確采集神經活動過程、表征大腦功能變化，因而在表征腦功能狀態方便具有重要的研究意義。

目前，構建腦功能網絡的方法主要有兩種：一種方法是固定權值法，另一種方法是固定平均度法。這兩種方法能夠從兩種不同的角度刻畫腦功能網絡的特性。固定權值法通過在一組鄰接矩陣中選取同一權值構建腦功能網絡，能夠充分反映權重對網絡結構的影響，即當一個鄰接矩陣中權重總體較大時，對應的腦功能網絡中邊數就會較多，從而使網絡特征被區分開來。固定平均度法則是在一組網絡中都取相同的邊數，這樣可以忽略權重對網絡結構的影響，只考慮網絡邊的空間分布對網絡特性的影響，此方法同樣能夠區分出不同腦功能網絡的網絡特征差異。

這兩種方法具有一個相同原則，都是按照權值從高到低的順序依次選取構建腦功能網絡所需的邊，但也存在著一些缺點，主要表現在以下兩個方面：第一，傳統構建腦功能網絡方法需要人為設置閾值（某一權值或某一網絡邊數），需要專業人員進行多次試驗才能取得合適閾值，即使根據經驗選取閾值也需要大量的實驗研究，而且不同腦功能狀態（如大腦疲勞、各類腦部疾病等）所對應的經驗閾值很有可能不一樣，不適合在實時工程系統或醫療器械中應用；第二，不同的研究人員取值方式、思路不同，類似的研究成果不能進行相互比較，缺乏統一性。

近年來研究發現功能連接并非穩態的，具有瞬時動態特性，并建立了動態功能連接分析方法。研究人員將動態功能連接應用于腦科學研究，挖掘出傳統功能連接未發現的有用信息，并證明動態功能連接在腦功能的特征提取、模式識別方面比傳統功能連接具有更好的效果。然而，目前還未有自動構建動態腦功能網絡的方法。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種基于腦電波的自動構建動態腦功能網絡方法，以促進基于動態功能連接的研究成果應用于實時工程系統或基于腦電波的醫療器械，進一步促進動態腦功能網絡的腦科學應用研究。

為達成上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于腦電波的構建動態腦功能網絡方法，包括以下步驟：

步驟一，依據國際標準10-20腦電電極定位系統，采集受試者腦電波，對腦電波進行數據預處理，包括帶通濾波、去偽跡、降低采樣頻率、去基線漂移、提取腦電波節律；