[發(fā)明專利]一種基于相位傳遞熵的音樂感知下腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110758861.6
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113558637A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 席旭剛;楊東輝;孟明;汪婷;李訓(xùn)根;王俊宏;呂忠;李文國
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: A61B5/369
• 分類號: A61B5/369;A61B5/372;A61B5/38
• 代理公司: 浙江千克知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

本發(fā)明公開了一種基于相位傳遞熵的音樂感知下腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。首先，通過腦電采集儀采集音樂感知下的多通道腦電信號，經(jīng)過0.5?30Hz濾波處理，并去除眼電，肌電，心電偽跡干擾，并依據(jù)標(biāo)簽文件對腦電信號的活動(dòng)段進(jìn)行提??；以腦電信號通道位置作為節(jié)點(diǎn)，兩通道信號的相位傳遞熵值作為邊構(gòu)建有向腦功能網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算出腦功能網(wǎng)絡(luò)在不同閾值下的網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)、全局效率與網(wǎng)絡(luò)密度特征，并比較音樂感知下與無聽覺刺激下腦功能網(wǎng)絡(luò)特征的差異。本發(fā)明通過相位傳遞熵構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)，有利于描述腦電信號之間的耦合強(qiáng)度和雙向耦合關(guān)系，對于腦電信號之間因果性的研究具有一定的意義，有利于音樂感知對人腦作用方面的深入探究。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于相位傳遞熵的音樂感知下腦功能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

近年來，音樂療法越來越多地被應(yīng)用于各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的輔助治療，包括中風(fēng)、癲癇、抑郁癥和自閉癥。音樂療法有很多定義，但音樂療法的共同目的是促進(jìn)患者的康復(fù)或緩解患者的負(fù)面情緒。根據(jù)美國音樂治療協(xié)會(huì)的說法，音樂療法是利用音樂來滿足所有年齡和能力的患者的身體、情感、認(rèn)知和社會(huì)需求。音樂療法具有促進(jìn)健康，管理壓力，減輕疼痛，表達(dá)情感，增強(qiáng)記憶力，改善溝通，促進(jìn)身體恢復(fù)等多種功能。如Stanczyk等人發(fā)現(xiàn)音樂療法能有效改善患者的疲勞和焦慮情緒，提高患者的幸福感水平。

腦電圖是一種非侵入性的腦成像技術(shù)，它通過匯總大腦活動(dòng)時(shí)同步發(fā)生的大量神經(jīng)元的突觸后電位，來記錄大腦活動(dòng)期間的電位變化。利用這種腦成像技術(shù)記錄的數(shù)據(jù)稱為腦電信號。它代表了大腦皮層或頭皮表面大腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動(dòng)的總體反映。

圖論是一種描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法，其中網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的邊表示。近年來，越來越多的學(xué)者利用圖論來分析諸如腦卒中、阿茲海默癥患者的腦網(wǎng)絡(luò)，并取得了一定的研究成果。例如，AfShari等人通過研究阿爾茨海默病患者的大腦功能網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，患者的全球連通性降低，局部連通性增強(qiáng)。目前比較常見的腦網(wǎng)絡(luò)連接性指標(biāo)如相干性、鎖相值、相位滯后指數(shù)等這些都無法反應(yīng)腦網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的相互影響與信息流向。傳遞熵不僅可以描述EEG信號之間的耦合強(qiáng)度和雙向耦合關(guān)系，而且具有不依賴于所建立的模型和非線性定量分析的特點(diǎn)。與振幅相比，相位包含了更多的信號變化特征，相位傳遞熵非常適合于大規(guī)模人類神經(jīng)肌肉功能連接研究中有向相位連接性的估計(jì)。

目前多數(shù)腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法都是基于無向連接的，無法體現(xiàn)出腦功能網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的雙向耦合關(guān)系，在描述腦功能網(wǎng)絡(luò)是存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于相位傳遞熵的音樂感知下腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。本發(fā)明可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地搭配不同型號的腦電數(shù)據(jù)采集設(shè)備。首先，通過腦電采集設(shè)備采集音樂感知下和無聽覺刺激下的多通道腦電信號，然后提取出腦電信號中活動(dòng)段，利用相位傳遞熵算法構(gòu)建出腦網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，最后計(jì)算相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特征指標(biāo)，得出音樂感知下與無聽覺刺激下的腦網(wǎng)絡(luò)差異。

為了實(shí)現(xiàn)以上內(nèi)容，本發(fā)明方法主要包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)國際10-20標(biāo)準(zhǔn)分別采集每名受試者音樂感知下的多通道腦電信號；

步驟2，對采集的腦電信號進(jìn)行0.5-30Hz帶通濾波處理，采用獨(dú)立成分分析方法去除眼電、肌電、心電偽跡干擾，并依據(jù)標(biāo)簽文件對腦電信號的活動(dòng)段進(jìn)行提取。

步驟3，以腦電信號的通道位置作為節(jié)點(diǎn)，兩通道信號的相位傳遞熵作為邊構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣，具體步驟如下：

(1)對于所有腦電信號通道的時(shí)間序列X(t)，通過希爾伯特變換得到X(t)的瞬時(shí)相位時(shí)間序列θ(t)，具體公式如下

其中，S(t)為X(t)的解析信號，為X(t)的希爾伯特變換。j為虛數(shù)單位，A(t)為幅值序列。