基于Welch法的右侧脑区静息脑电信号的频域相干性分析

周阳 周宇 湖南省医疗器械检验检测所 （湖南 长沙 410014）

基于Welch法的右侧脑区静息脑电信号的频域相干性分析

周阳 周宇＊湖南省医疗器械检验检测所 （湖南 长沙 410014）

文章利用脑电数据，基于Welch的功率谱频域相干分析方法来探索右侧大脑脑区内的信息相干性。

静息脑电 相干函数 Welch法

目前常用的有效可行的脑电信号分析方法有时域分析法、频域分析法、时频分析法、非线性分析法以及人工神经网络[1]。脑电相干性是研究大脑不同区域功能联系的一种无创性技术，脑电信号之间的相干值越大，说明同步化活动程度越高[2]。

1.Welch算法及静息脑电频域相干性

Welch算法谱估计采取数据分段加窗再求平均，先分别求出每段的谱估计xi(f)得到功率谱Px( f)。将长度为N的数据分成L段，每段长度取M = N/L，且各段数据均部分重叠，公式如下：

x( f)和y( f)两个函数的互功率谱公式为：

其中，X( f)是x( f)的傅里叶变换，Y*( f)是y( f)的傅里叶变换的复共轭。

相干性分析公式及相干系数公式分别为：

其中，Px( f)和Py( f)是自功率谱，Pxy( f)为两个信号的互功率谱。

2.实验结果

依据5个主要脑电波分量α波、β波、γ波、θ波以及δ波，采用10-20标准导联的扩展。在长为60000点的脑电数据样本中取其5001点到8000点来进行分析。使用MATLAB实验程序得出：

2.1 右额叶区

以F4为中心，上下左右电极选取AF4，FC4，F2，F6共4个电极，做5个电极的两两相关。

横坐标表示频率，纵坐标表示互谱密度函数，由图1所示右额叶区中心电极F4与其他4个电极的互功率谱关系均为由最大值逐步向零趋近，（b）相对于（a）下移，（c）和（d）相对于（a）上移。

F4与AF4的相干系数为0.9939，相干度较高；F4与FC4的相干系数为0.9849，相干度较高；F4与F2的相干系数为0.9210，相干度较高；F4与F6的相干系数为0.8217，相干度较为适中。

图1. 右额叶区的互功率谱

图2. 右顶叶区的互功率谱

2.2 右顶叶区

以CP4为中心，上下左右选取C4，P4，CP2，CP6，做5个电极的两两相关。

横坐标表示频率，纵坐标表示互谱密度函数，由图2所示右顶叶区中心电极CP4与其他4个电极的互功率谱关系均为由最大值逐步向零趋近，（b）和（d）相对于（a）上移，（c）相对于（a）下移。

CP与C4的相干系数为0.5273，相干度较低；CP4与P4的相干系数为0.8026，相干度适中；CP4与CP2的相干系数为0.7369，相干度适中；CP4与CP6的相干系数为0.7572，相干度较为适中。

2.3 右颞叶区

以T8为中心，上下电极选取F8，FT8和P8，TP8，做5个电极的两两相关。

横坐标表示频率，纵坐标表示互谱密度函数，由图3所示右颞叶区中心电极T8与其他4个电极的互功率谱关系均为由最大值逐步向零趋近，（b）、（c）和（d）相对于（a）均上移。

T8与F8的相干系数为0.8320，相干度适中；T8与FT8的相干系数为0.8176，相干度适中；T8与P8的相干系数为0.8999，相干度适中；T8与TP8的相干系数为0.9295，相干度较高。

图3. 右颞叶区的互功率谱

图4. 右枕叶区的互功率谱

2.4 右枕叶区

以O2为中心，上左右电极选取PO4，Oz，PO8，做4个电极的两两相关。

横坐标表示频率，纵坐标表示互谱密度函数，由图4所示右枕叶区中心电极O2与其他三个电极的互功率谱关系均为由最大值逐步向零趋近，（b）相对于（a）下移，（c）相对于（a）上移。

O2与PO4的相干系数为0.9300，相干度较高；O2与Oz的相干系数为0.9580，相干度较高；O2与PO8的相干系数为0.8999，相干度适中。

[1]黄小娜,石砚.脑电EEG信号的分析方法[J].甘肃科技,2010,26(9):17-18.

[2]Li KD,Sun GF.Correlation between ventilation and EEG-defined arousal during sleep onset in young subjects[J].IEEE Computer Society,2009,83(6):430-435.

Frequency - domain Coherence Analysis of Resting EEG Signals in the Right Brain Region Based on the Welch Method

ZHOU Yang ZHOU Yu＊Hunan Testing Institute for Medical Devices(Hunan Changsha 410014)

1006-6586(2017)19-0029-02

TP274

A

2017-08-14

周阳，初级工程师，主要研究方向：生物医学工程专业；周宇，通讯作者，初级工程师，研究方向：生物医学工程/通信工程。