一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法

1.本发明涉及仪器测量技术、信号处理方法和神经科学应用领域，一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法。
2.研究背景
3.eeg是一种无创检测大脑活动的基本技术。该技术能够在头表直接记录神经元群的电生理活动，并提供各种有关大脑功能的重要而丰富的信息。由于eeg具有重量轻、与环境和系统的高兼容性、低成本、可穿戴、无线等优点，eeg已广泛用于医学、心理学、教育、计算机、生物医学工程等各个领域。脑电电极在头表的安放位置通常按照国际脑电图学会规定的标准电极放置法(即10-20系统)进行安放。10-20系统电极放置法的定义为：额极中点至鼻根的距离和枕点至枕外粗隆的距离各占此连线全长的10％，其余各点均以此连线全长的20％相隔。同时，也还存在其他电极放置方法，例如10-10电极分布系统、hydrocel高密度网状电极分布系统等。值得注意的是，由于不同的eeg设备制造商均各自研发了不同的软硬件系统，在实际使用中，即使制造商均声称使用10-20系统，但是其实际的电极分布都略有不同。由于上述原因，不同电极分布的脑电数据通常是无法进行混用的，这也使得脑电研究通常局限于小规模、单一实验室范围内。
4.近年，随着各国脑计划的不断推进，规模更大的开放、合作、共享的大规模多中心研究已逐渐成为认识脑、研究脑的新研究模式。但是，由于不同研究单位通常会使用不同的脑电设备，而脑电电极分布的多样性这一问题极大的限制了脑电数据的多中心合作研究与数据的有效挖掘，不利于进行跨实验室共享的大规模脑电应用研究。因此，本发明提供一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法，用于解决上述问题。
5.现有技术(yao d.a method to standardize a reference of scalp eeg recordings to a point at infinity[j].physiological measurement,2001,22(4):693)提出的。零参考技术是将脑电信号重参考到无限远处的技术，以得到理想的脑电信号。但是零参考技术没有考虑不同的电极分布，只能在原电极分布上实现零参考转换。本发明对零参考技术方法理论进行了改进，使其能够实现转换脑电信号到不同电极分布上。


技术实现要素：

[0006]
本发明解决了多中心脑电数据分析中脑电数据电极分布不一致问题，使得多中心脑电数据可以有效的分析挖掘，促进了跨实验室共享的大规模脑电应用研究。
[0007]
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法，其中，所述方法包括：
[0008]
步骤1：利用脑电采集系统，采集正常被试的脑电自发电位，记录各个导联的电位和头皮分布坐标，得到原始电极的分布坐标，同时，各个导联的原始脑电信号用电信号矩阵进行表示；
[0009]
记录所有头表电极的信号波形和坐标分布，其中电极信号矩阵v
inf
，表示为
[0010][0011]
其中gn×k是电极数为n的原始电极坐标的导联场矩阵，xk×
t
是大小为k
×
t的大脑内部的真实源；表示编号为i的导联在j时间的瞬时电位，i和j分为满足1≤i≤n,1≤j≤t，n是电极坐标电极的电极数，k是等效源的数量，t表示时间序列的点数；
[0012]
步骤2：计算原始电极分布下脑电信号的平均参考电位，从而得到原始电极分布下的基于平均参考的电信号矩阵；接着将每个时间点的原始脑电减去每个时间点的所有导联脑电平均值，得到基于平均参考的脑电时间序列矩阵v
avg
，其具体公式如下：
[0013][0014]
其中，w为大小为n
×
1的列向量，其每个元素都为1，w
t
为w的转置；
[0015]
步骤3：根据原始电极的分布坐标，建立基于三层球的头模型以及等效分布源模型，求解脑电正演问题计算出导联场矩阵；
[0016]
步骤4：先计算基于平均参考的导联场矩阵的m-p广义逆矩阵，然后，基于上述步骤计算得到m-p广义逆矩阵g
+avg
和步骤2得到基于平均参考的电信号矩阵v
avg
,根据公式
[0017][0018]
计算出真实源x的近似等效分布源
[0019]
步骤5：根据目标电极分布坐标，建立基于三层球的头模型以及等效分布源模型，求解脑电正演问题计算出导联场矩阵
[0020]
步骤6：根据步骤4得到的等效分布源和步骤5所有头表电极的导联场矩阵计算目标电极坐标下的基于无穷远的参考的电信号矩阵
[0021][0022]
进一步的，所述步骤3的具体方法为：
[0023]
步骤s3-1：选取三层同心球模型对头部进行建模；
[0024]
头模型用三层同心球模型来进行建模，以左右耳的中点为原点建立笛卡尔坐标系，以原点指向右耳垂的直线以为正x轴，以原点指向鼻根的直线为正y轴，垂直于xy平面向上作正z轴，基于此坐标系来衡量大脑皮层、颅骨内外侧的相对半径尺寸，以及相对导电率；剔除坏导后的电极分布坐标需要将其归一化分布到头模型上；所述三层同心球模型是球对称导体模型，其将头型简化成为由三个同心球组成的球形导体，三个同心球由内到外分别代表颅骨内半径、颅骨外半径、头部半径；
[0025]
步骤s3-2，选取偶极子源模型作为等效分布源，该模型用6144个偶极子去近似大脑内部真实源的分布；
[0026]
步骤s3-3，将头表电极的分布坐标归一化分布到头模型上；
[0027]
步骤s3-4，基于球谐谱的正演理论计算导联场矩阵；
[0028]
根据所述步骤s3-1所建立的头模型、步骤s3-2所建立的等效分布源模型和步骤s3-3归一化后的电极分布坐标，再基于球谐谱的正演理论，计算出原始电极坐标的基于平均参考的导联场矩阵。
[0029]
本发明成功实现了将不同电极分布脑电信号变换到一个统一的电极分布(目标电极分布)上。
附图说明
[0030]
图1为本发明的脑电电极坐标转换方法流程图；
[0031]
图2为本发明的导联场矩阵计算流程图；
[0032]
图3为本发明的基于三层同心球的头模型；
[0033]
图4为本发明的电极坐标转换效果图；
[0034]
图5为本发明的方法原理示意图。
具体实施方式
[0035]
图1为本发明的方法流程示意图，其中具体方法步骤如下：
[0036]
步骤s1，记录所有头表电极的信号波形和坐标分布。
[0037]
记录所有头表电极的信号波形和坐标分布，其中电极信号矩阵(v
inf
)，表示成
[0038][0039]
其中g是电极数为n的原始电极坐标的导联场矩阵，x是大小为k
×
t的大脑内部的真实源。表示编号为i的导联在j时间的瞬时电位，i和j分为满足1≤i≤n,1≤j≤t，n是电极坐标电极的电极数，k是等效源的数量，t表示时间序列的点数。
[0040]
步骤s2，计算原始电极分布下脑电信号的平均参考电位(v
avg
)。
[0041]
具体的，先计算每个时间点的所有导联的平均值v
ar
，公式如下：
[0042][0043]
其中，w为大小为n
×
1的单位列向量，其每个元素都为1，w
t
为w的转置。
[0044]
接着将每个时间点的原始脑电减去每个时间点的所有导联脑电平均值，即可得到基于平均参考的脑电时间序列矩阵(v
avg
)，其具体公式如下：
[0045][0046]
步骤s3，计算原始坐标平均参考下的导联场矩阵(g
avg
)；
[0047]
本发明中原始坐标的导联场矩阵g
avg
是由三层头模型、等效源模型和原始电极分布计算得到的。具体的计算流程如图2所示，包括以下步骤：
[0048]
步骤s3-1，选取三层同心球模型对头部进行建模。
[0049]
具体的，所述三层同心球模型是球对称导体模型，其将头型简化成为由三个同心
球组成的球形导体，三个同心球由内到外分别代表颅骨内半径s311、颅骨外半径s312、头部半径s313，如图3所示，其所对应的半径按头部半径标准化来计算，具体数值分别为0.87(s411)、0.92(s412)和1.0(s413)。并且，其电导率呈均匀分布，大脑皮层与头皮的相对电导率均为1.0，颅骨的相对电导率为0.0125。
[0050]
步骤s3-2，选取偶极子源模型作为等效分布源。
[0051]
具体的，所述偶极子源模型的空间结构由标准脑模板生成的三角网络作为脑电偶极子源，一共包含6144个径向偶极子，即相当于等效分布源总数共有6144。
[0052]
步骤s3-3，将头表电极的分布坐标归一化分布到头模型上。
[0053]
具体的，将步骤s2所述头表电极的分布坐标归一化分布到头模型上。
[0054]
步骤s3-4，基于球谐谱的正演理论计算导联场矩阵。
[0055]
具体的，根据所述步骤s3-1所建立的头模型、步骤s3-2所建立的等效分布源模型和步骤s3-3归一化后的电极分布坐标，再基于球谐谱的正演理论，计算出原始电极坐标的基于平均参考的导联场矩阵(g
avg
)。在本实施例中，为了简化计算流程，使用了自定义代码实现导联场矩阵的计算。
[0056]
步骤s4，计算等效分布源
[0057]
为了得到等效分布源需要先计算基于平均参考的导联场矩阵(g
avg
)的m-p广义逆矩阵(g
+avg
)；然后，基于上述步骤计算得到m-p广义逆矩阵(g
+avg
)和步骤s2得到基于平均参考的电信号矩阵(v
avg
),根据公式
[0058][0059]
计算出真实源(x)的近似等效分布源
[0060]
步骤s5，计算目标电极坐标的导联场矩阵
[0061]
类似步骤s3计算导联场矩阵的流程，来计算目标电极坐标的导联场矩阵。只需将步骤s3输入改为目标电极的分布坐标，其它地方保持不变，然后再次进行计算，即可得到目标电极的导联场矩阵
[0062]
步骤s6，计算电极坐标转换后基于无穷远点参考的目标电极电信号矩阵
[0063]
已知步骤s5得到的等效分布源和步骤s6所有头表电极的导联场矩阵代入
[0064][0065]
进行计算，可得到的电极坐标转换后基于无穷远点参考的目标电极下的电信号矩阵
[0066]
重建效果
[0067]
在电极坐标转换的过程中，同一名称电极的脑电信号可能会发生变化，原因有如下几点：1)原始电极分布和目标电极分布中同一电极名称的电极坐标不相同，
[0068]
2)方法本身使用的近似和局限性，例如使用6144个偶极子来近似作为大脑中的等效源、s4步骤中求近似等效源时使用的是广义逆矩阵等。
[0069]
因此有必要检验电极坐标转换后脑电和定量脑电的变化情况。图4从脑电和定量脑电两个方面展示了电极分布的转换效果。图4(a)是同一被试电极左边转换前后fp1导联脑电信号的对比图，图中黑线和红线分别是原始坐标(64导联)下和目标电极坐标(10-20系统61导联，10-20-cap61)下fp1导在0-500ms的脑电信号，可以看出来电极坐标转换前后的脑电波形几乎是重合的。图4(b)是同一被试的脑电原始电极分布和不用目标电极分布下的功率谱地形图，其中列是不同频段，行是电极分布，可以看到，重建后的脑电功率谱与原始脑电功率谱基本一致。从图中可以得出本方法可以在转换电极坐标分布的同时，很大程度上还原脑电信号和保留脑电信息。
[0070]
图5是本发明的方法原理示意图，过程s71可以通过从以头表某点或平均电位为参考电极的实际头皮电位记录中将等效分布源计算出来。过程s72借助近似真实源的等效分布源将以无穷远点为参考的导联电位重建出来。
[0071]
所述过程s71在神经科学领域被称为反演和所述过程s72被称为正演，这两个过程的实际演算步骤与选取的头模型、等效分布源和头表电极的分布坐标有关。实际上，在神经科学领域脑电源存在多种建模方式，不同的建模方式对应的正演反演方式不同，而本发明重点在利用脑电反演和正演的过程来重建坏导电位，故对脑电源精确位置并不关心，因此本发明中脑电源的建模只需提供其中一种思路即可，在这不作详细展开。
[0072]
在本实施例中，在执行完所述步骤s2后和执行所述步骤s3前，为了排除干扰源的影响，需要对脑电信号进行数据预处理。具体的，先经过频带为0.01-100hz的带通滤波器，然后使用频带为49-51hz的陷波滤波器。接着，做独立成分分析(ica)，并剔除脑电信号中存在的伪迹等干扰成分，以保证获得干净的脑电信号。
[0073]
实际上，上述的脑电数据预处理方法和流程并不唯一，但无论何种流程，只要保证预处理完成后可得到干净的脑电信号波形即可。
[0074]
本发明要求目标电极分布的电极数小于或等于原始电极分布的电极数。因为脑电信号重建是基于原始脑电信号的，若目标电极分布电极数比原始坐标电极数多，虽然转换后脑电信号电极数增加了，但真正有用信息量并不会增加。
[0075]
本发明所述步骤s2，也可以计算基于其他单点参考的电位矩阵。可以计算基于耳垂参考点的电位矩阵，用耳垂电位来代替平均参考电位。
[0076]
在发明在执行完所述步骤s2和执行所述步骤s3，为了排除干扰源的影响，建议先对脑电信号进行预处理(例如，剔除坏导、带通滤波，伪迹去除等)，以获得干净的脑电信号。上述的脑电数据预处理方法和流程并不唯一，但无论何种流程，只要保证预处理完成后可得到干净的脑电信号波形即可。
[0077]
本发明步骤s31所述的选择三层同心球模型来对头部进行建模，也可以选择其他模型来头部对进行建模。例如，使用真实头模型来对头部进行建模。
[0078]
本发明还提供了从电极参考或平均参考转化为无穷远参考的方法。具体的，所述步骤s6除了转换电极坐标分布外，实际上也将基于平均参考或者其他参考的脑电信号转化为基于无穷远参考的信号。
[0079]
本发明所述步骤s4对基于平均参考的导联场矩阵的m-p广义逆矩阵的计算方法并不唯一；具体的，求m-p广义逆矩阵也可采用最大秩分解的方法。

技术特征：
1.一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法，其中，所述方法包括：步骤1：利用脑电采集系统，采集正常被试的脑电自发电位，记录各个导联的电位和头皮分布坐标，得到原始电极的分布坐标，同时，各个导联的原始脑电信号用电信号矩阵进行表示；记录所有头表电极的信号波形和坐标分布，其中电极信号矩阵v
inf
，表示为其中g
n
×
k
是电极数为n的原始电极坐标的导联场矩阵，x
k
×
t
是大小为k
×
t的大脑内部的真实源；表示编号为i的导联在j时间的瞬时电位，i和j分为满足1≤i≤n,1≤j≤t，n是电极坐标电极的电极数，k是等效源的数量，t表示时间序列的点数；步骤2：计算原始电极分布下脑电信号的平均参考电位，从而得到原始电极分布下的基于平均参考的电信号矩阵；接着将每个时间点的原始脑电减去每个时间点的所有导联脑电平均值，得到基于平均参考的脑电时间序列矩阵v
avg
，其具体公式如下：其中，w为大小为n
×
1的列向量，其每个元素都为1，w
t
为w的转置；步骤3：根据原始电极的分布坐标，建立基于三层球的头模型以及等效分布源模型，求解脑电正演问题计算出导联场矩阵；步骤4：先计算基于平均参考的导联场矩阵的m-p广义逆矩阵，然后，基于上述步骤计算得到m-p广义逆矩阵g
+avg
和步骤2得到基于平均参考的电信号矩阵v
avg
,根据公式计算出真实源x的近似等效分布源步骤5：根据目标电极分布坐标，建立基于三层球的头模型以及等效分布源模型，求解脑电正演问题计算出导联场矩阵步骤6：根据步骤4得到的等效分布源和步骤5所有头表电极的导联场矩阵计算目标电极坐标下的基于无穷远的参考的电信号矩阵标电极坐标下的基于无穷远的参考的电信号矩阵2.如权利要求1所述的一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法为：步骤s3-1：选取三层同心球模型对头部进行建模；头模型用三层同心球模型来进行建模，以左右耳的中点为原点建立笛卡尔坐标系，以原点指向右耳垂的直线以为正x轴，以原点指向鼻根的直线为正y轴，垂直于xy平面向上作正z轴，基于此坐标系来衡量大脑皮层、颅骨内外侧的相对半径尺寸，以及相对导电率；剔除坏导后的电极分布坐标需要将其归一化分布到头模型上；所述三层同心球模型是球对称导
体模型，其将头型简化成为由三个同心球组成的球形导体，三个同心球由内到外分别代表颅骨内半径、颅骨外半径、头部半径；步骤s3-2，选取偶极子源模型作为等效分布源，该模型用6144个偶极子去近似大脑内部真实源的分布；步骤s3-3，将头表电极的分布坐标归一化分布到头模型上；步骤s3-4，基于球谐谱的正演理论计算导联场矩阵；根据所述步骤s3-1所建立的头模型、步骤s3-2所建立的等效分布源模型和步骤s3-3归一化后的电极分布坐标，再基于球谐谱的正演理论，计算出原始电极坐标的基于平均参考的导联场矩阵。

技术总结
该发明公开了一种基于零参考技术的不同电极分布脑电信号变换方法，涉及仪器测量技术、信号处理方法和神经科学应用领域。本发明解决了多中心脑电数据分析中脑电数据电极分布不一致问题，使得多中心脑电数据可以有效的分析挖掘，促进了跨实验室共享的大规模脑电应用研究。成功实现了将不同电极分布脑电信号变换到一个统一的电极分布(目标电极分布)上。换到一个统一的电极分布(目标电极分布)上。换到一个统一的电极分布(目标电极分布)上。


技术研发人员：杨润尘 董立 刘承赣 陈诗语 冯宗文 尧德中
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/8/1