專利名稱：基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法和裝置，屬于腦電檢測預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
癲癇(Epikpsy)是一種嚴(yán)重危害人類健康的常見慢性腦部疾病，發(fā)作時(shí)表現(xiàn)為大腦神經(jīng)元過度同步化放電，并導(dǎo)致短暫性中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常，其發(fā)作具有突然性、暫時(shí)性和反復(fù)性三大特點(diǎn)。具統(tǒng)計(jì)，癲癇的患病率在5%。 11%。。癲癇患者當(dāng)中，約75%可以通過藥物或外科手術(shù)途徑進(jìn)行控制或治愈，但仍有25%左右的患者無法通過有效治療方法進(jìn)行治療。反復(fù)突發(fā)的癲癇發(fā)作給患者在生理上和精神上都帶來了很大的傷害。如果在病人癲癇樣腦電放電之前做出提前預(yù)警，使醫(yī)生或患者及其家屬能夠提前采用有效的干預(yù)手段(如通過局部給藥或電磁刺激等)控制癲癇的發(fā)作，從而降低癲癇發(fā)作造成的傷害。越來越多的研究表明癲癇發(fā)作過程不是突發(fā)的，而是一個(gè)隨時(shí)間演化的過程。傳統(tǒng)的癲癇放電預(yù)警方法雖然取得了一定的成果，但是都未能取得較理想的效果。例如，動(dòng)力學(xué)相似指數(shù)方法、相關(guān)維方法、累積能量方法的癲癇放電預(yù)警的靈敏度(即正確預(yù)測到的發(fā)作次數(shù)與總發(fā)作次數(shù)之比)分別只有41. 5%,29. 3%和30. 5%，預(yù)警的靈敏度低，無法滿 ^1 * ^^ ( Thomas Μ, Matthias W, Richard A, et. al. Comparison of three nonlinear seizure prediction methods by means of the seizure prediction characteristic. Physica D :nonlinear phenomena,2004,194(3-4))。CN101259015A(200710073454. 1)公開了一種腦電信號分析監(jiān)測方法及其裝置； CN1567331A(03137747. 5)公開了一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測大腦電位非線性趨勢圖的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測大腦電位趨勢；CN1253762A(991M032.4)公開了一種全自動(dòng)定量檢測腦電圖中癲癇樣放電的裝置。CN101259015A(200710073454. 1)和 CN1567331A(03137747. 5)可應(yīng)用于腦電信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，CN1253762A(991M032. 4)可以實(shí)現(xiàn)在無醫(yī)生參與的情況下全自動(dòng)定量檢測腦電圖中的癲癇樣放電，但是這三種技術(shù)均不能實(shí)現(xiàn)癲癇樣放電的提前預(yù)警。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法。本發(fā)明還提供一種無需醫(yī)生參與的基于腦電棘波頻次的預(yù)警裝置。本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)檢測腦電活動(dòng)中的棘波頻次，實(shí)現(xiàn)對腦電放電的預(yù)警目的，并取得了較好的預(yù)警效果。本發(fā)明還可用于癲癇樣放電的預(yù)警。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，步驟如下1)利用腦電放大器和數(shù)據(jù)采集板采集腦電信號，將采集到的腦電信號輸入計(jì)算機(jī)；2)計(jì)算機(jī)對腦電信號濾波，去除偽跡和噪聲；
3)計(jì)算機(jī)對腦電棘波檢測對腦電信號分段，檢測每段腦電信號中的棘波；4)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)棘波，然后計(jì)算棘波頻次SR;5)獲得平滑后的平滑棘波頻次SRm 使用平滑濾波器平滑棘波頻次SR，得到SRm ；6)報(bào)警將平滑棘波頻次SRm與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，獲得預(yù)警結(jié)果。所述步驟1)中的所述腦電放大器采用Neurofile NT腦電放大器，所述數(shù)據(jù)采集板采用16位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板，采樣頻率為256Hz。所述步驟2、用巴特沃斯帶通濾波器對腦電信號進(jìn)行濾波，去除偽跡和噪聲，巴特沃斯帶通濾波器的頻率范圍為0. 5-30Hz。步驟3)中所述的棘波檢測的步驟為a.對腦電信號分段，每段腦電信號長度相等，其長度為N點(diǎn)；優(yōu)選每段腦電信號長度N = 1280點(diǎn)，時(shí)長為5s ；b.利用形態(tài)學(xué)濾波器檢測一段腦電信號f (η) (η = 0，1，…，N_l)的棘波，具體步驟為①先對該段腦電信號f (η)關(guān)于結(jié)構(gòu)元素g(m) = 300 (1_ | m_L |/L)進(jìn)行形態(tài)開-閉 (OC)和閉-開(CO)濾波，公式分別為oc (f (n)) = fog · g 禾口co (f (η)) = f · gog其中m = 0，1，. . .，M-I ；L = (M-I)/2 ；M為結(jié)構(gòu)元素的長度；優(yōu)選M = 19 ；且開運(yùn)算ο和閉運(yùn)算·公式分別為(/、) = (/Θ《)Θ^和{f*g) = {f g) g其中(f g)為腐蝕運(yùn)算，(/θ幻為膨脹運(yùn)算，公式分別為(f g) = ^il , {f(n + m)-g(m)} ( =禾口
LJw=0,1,...M-I1(f g)= max {/(n-m) + g(m)} {η = M— \,M”..,N— X)
LJW=O5H-I②利用以下公式得到背景腦電信號y (η)y(n) = [oc (f (η))+co (f (η)) ]/2③得到檢出的棘波信號為ζ(η) = f(n)-y(n)。步驟4)中計(jì)算棘波頻次SR的具體方法為a.根據(jù)檢出的每段腦電信號中的棘波信號ζ (η)，計(jì)算每段腦電信號的棘波個(gè)數(shù)；b.累積k段腦電信號的棘波個(gè)數(shù):NUM = j^numii)，其中num⑴代表第i段信號
i=\
的棘波數(shù)目，NUM為累計(jì)棘波值；優(yōu)選k為6 ；c.計(jì)算棘波頻次(Spike Rate SR) =SR = NUM/t，其中t為k段腦電信號的時(shí)間長度。步驟幻對棘波頻次SR進(jìn)行平滑，即用長度為1，移動(dòng)步長為d的平均濾波器平滑 SR，得到平滑棘波頻次SR1i^優(yōu)選長度為1 = 9，移動(dòng)步長為d = 1。步驟6)將鞏與相應(yīng)閾值thres進(jìn)行比較，若鞏超過閾值，則通過報(bào)警器報(bào)警， 所述閾值的計(jì)算方法如下
a.對病人j次發(fā)作的腦電信號，找出每次發(fā)作時(shí)的平滑棘波頻次SRm的最大值 Iiiax1, max2, . . . , maxj ；b.比較Hiax1, max2, . . .，max」，找出這j個(gè)值中的最小值min ；c.閾值 thres = consXmin,其中 cons 為一常數(shù)；優(yōu)選j取為5次，cons取為1.2。一種基于腦電棘波頻次的預(yù)警裝置，包括依次以電路連接的腦電放大器、數(shù)據(jù)采集板、計(jì)算機(jī)和報(bào)警器，所述的計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有基于腦電棘波頻次的預(yù)警模塊，所述腦電放大器、數(shù)據(jù)采集板對腦電信號進(jìn)行采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)基于腦電棘波頻次的預(yù)警模塊對腦電信號進(jìn)行以下處理濾波，去除偽跡和噪聲；對腦電信號分段，檢測每段腦電信號中的棘波；自動(dòng)記錄一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)棘波，然后計(jì)算棘波頻次SR ；使用平滑濾波器平滑棘波頻次SR，得到SRm ；將平滑棘波頻次SRm與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，獲得預(yù)警結(jié)果。所述的報(bào)警器為揚(yáng)聲器。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明充分利用了癲癇發(fā)作前的臨床腦電信號中棘波出現(xiàn)頻率增加的規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)癲癇樣放電的提前預(yù)警，使醫(yī)生或患者及其家屬能夠提前采用有效的干預(yù)手段(如通過局部給藥或電磁刺激等)控制癲癇的發(fā)作，也可提示癲癇患者在癲癇放電之前加以準(zhǔn)備，從而降低癲癇發(fā)作造成的傷害。


圖1為本發(fā)明基于腦電棘波頻次的預(yù)警裝置的硬件連接圖；其中1、腦電信號；2、腦電放大器；3、數(shù)據(jù)采集板；4、計(jì)算機(jī)；5、報(bào)警器；圖2基于腦電棘波頻次的預(yù)警流程圖；圖3 (a)為一段腦電信號；圖3(b)是對圖3(a)所示的腦電信號去除干擾后得到的腦電信號；圖3(c)是圖3(b)的腦電信號的背景信號；圖3 (d)從圖3 (b)中檢測到的棘波信號；圖4平滑后的棘波頻次，其中，(a)某一患者的長度為1小時(shí)腦電信號的平滑棘波頻次；(b)另一患者的長度為1小時(shí)腦電信號的平滑棘波頻次。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例1、—種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其流程圖如圖2所示，具體步驟如下1)采用Neurofile NT腦電放大器和16位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板采集腦電信號，采樣頻率為256Hz，將采集到的腦電信號輸入計(jì)算機(jī)。圖3(a)是一段腦電信號。2)腦電信號預(yù)處理用巴特沃斯帶通濾波器對腦電信號進(jìn)行濾波，去除各種偽跡和噪聲，帶通濾波器的頻率范圍為0. 5-30Hz。圖3(b)為圖3(a)所示的原始腦電信號中去除干擾后得到的腦電信號。
3)棘波檢測的具體步驟為a.對腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，每段長度取為N= 1280點(diǎn)，時(shí)間長度為&。b.利用形態(tài)學(xué)濾波器檢測一段腦電信號f (η) (η = 0，1，…，1279)的棘波。具體方法為①先對該段腦電信號f (η)關(guān)于結(jié)構(gòu)元素g(m) = 300 (1_ | m_9 |/9) (m = 0，1，...， 18)進(jìn)行形態(tài)開-閉(OC)和閉-開(CO)濾波，公式分別為oc (f (n)) = fog · g 和co (f (η)) = f · gog其中開運(yùn)算ο和閉運(yùn)算·公式分別為(/、) = (/Θ《)Θ^和=其中(f g)為腐蝕運(yùn)算，(/θ幻為膨脹運(yùn)算，公式分別為(f g) = ^il , {f(n + m)-g(m)} ( =禾口
LJw=0,1,...M-I1(f g)= max {/(n-m) + g(m)} {η = M— \,M”..,N— X)
LJw=0,1 …M-I本實(shí)施例中取N = 1280，M = 19。②利用以下公式得到背景腦電信號y (η)y(n) = [oc (f (η))+co (f (η)) ]/2圖3(c)所示為圖3(b)的背景信號。③得到檢出的棘波信號為ζ(η) = f(n)-y(n)。如圖3(d)為檢測到的棘波信號。4)計(jì)算棘波頻次。首先計(jì)算每段腦電信號的棘波個(gè)數(shù)，然后累積6段腦電信號的棘波數(shù)，得到棘波頻次，具體算法為a.根據(jù)檢出的每段腦電信號中的棘波信號，計(jì)算每段腦電信號的棘波個(gè)數(shù)。b.累積6段腦電信號的棘波個(gè)數(shù):NUM = Y^numii)，其中num⑴代表第
i=li段信號的棘波數(shù)目，NUM為累計(jì)棘波值。c.計(jì)算棘波頻次(Spike Rate SR) =SR = NUM/t，其中t為6段腦電信號的時(shí)間長度，共計(jì)30s。5)對棘波頻次SR進(jìn)行平滑，即用長度為1 = 9、移動(dòng)步長為d = 1的平均濾波器平滑SR，得到平滑棘波頻次SR1i^如圖4(a)和(b)分別是長度為1小時(shí)腦電信號的平滑棘波頻次。6)將SRm與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，如果SRm超過閾值thres，則判為將有癲癇發(fā)作，并觸發(fā)揚(yáng)聲器報(bào)警，閾值的計(jì)算方法如下a.對病人j次發(fā)作的腦電信號，找出每次發(fā)作時(shí)的SRm的最大值max” max2, . . . , maxj ；b.比較Hiax1, max2, . . .，max」，找出這j個(gè)值中的最小值min ；c.閾值 thres = consXmin,其中 cons 為一常數(shù)。本實(shí)施例中j取為5次，cons取為1. 2。圖4(a)和圖4(b)中的橫線代表閾值，黑色垂直條為發(fā)作時(shí)刻。
利用本實(shí)施例之本發(fā)明方法，對21例癲癇患者的癲癇樣腦電放電進(jìn)行預(yù)警測試， 對全部的87次癲癇樣放電中準(zhǔn)確預(yù)警出65次，總預(yù)警準(zhǔn)確率為74. 7%，每小時(shí)錯(cuò)誤預(yù)警次數(shù)為0. 111次，平均預(yù)警時(shí)間為26. 15分鐘。實(shí)施例2、如圖1-2所示，一種實(shí)施例1所述基于腦電棘波頻次的預(yù)警裝置，包括依次以電路連接的腦電放大器2、數(shù)據(jù)采集板3、計(jì)算機(jī)4和報(bào)警器5，所述的計(jì)算機(jī)4內(nèi)安裝有腦電棘波頻次的預(yù)警模塊，所述腦電放大器2、數(shù)據(jù)采集板3對腦電信號1進(jìn)行采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)4內(nèi)腦電棘波頻次的檢測預(yù)警模塊對腦電信號1進(jìn)行以下處理濾波，去除偽跡和噪聲；對腦電信號1分段，檢測每段腦電信號中的棘波；自動(dòng)記錄一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)棘波，然后計(jì)算棘波頻次SR ；使用平滑濾波器平滑棘波頻次SR，得到SRm ；將平滑棘波頻次SRm 與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，獲得預(yù)警結(jié)果。所述的報(bào)警器5為揚(yáng)聲器。
權(quán)利要求
1.一種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，步驟如下1)利用腦電放大器和數(shù)據(jù)采集板采集腦電信號，將采集到的腦電信號輸入計(jì)算機(jī)；2)計(jì)算機(jī)對腦電信號濾波，去除偽跡和噪聲；3)計(jì)算機(jī)對腦電棘波檢測對腦電信號分段，檢測每段腦電信號中的棘波；4)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)棘波，然后計(jì)算棘波頻次SR；5)獲得平滑后的平滑棘波頻次SRm使用平滑濾波器平滑棘波頻次SR，得到SRm ；6)報(bào)警將平滑棘波頻次SRm與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，獲得預(yù)警結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟1)中所述的腦電放大器采用Neurofile NT腦電放大器，所述的數(shù)據(jù)采集板采用16位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集板，采樣頻率為256Hz。
3.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟2) 所述的對腦電信號濾波使用巴特沃斯帶通濾波器，巴特沃斯帶通濾波器的頻率范圍為 0. 5-30Hz。
4.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，步驟3)中所述的棘波檢測的步驟為a.對腦電信號分段，每段腦電信號長度相等，其長度為N點(diǎn)；b.利用形態(tài)學(xué)濾波器檢測一段腦電信號f(η) (η = 0,1,-,Ν-1)的棘波，具體步驟為①先對該段腦電信號f(η)關(guān)于結(jié)構(gòu)元素g (m) = 300 (1-1 m_L | /L)(其中m = 0，1，...， M-I ；L = (M-I)/2 ；M為結(jié)構(gòu)元素的長度)進(jìn)行形態(tài)開-閉(OC)和閉-開(CO)濾波，公式分別為oc (f (n)) = fog · g 禾口 co(f (η)) = f · gog其中開運(yùn)算ο和閉運(yùn)算·公式分別為 (/、) = (/Θ《)θ^和(/ g) = (f g) g其中(f g)為腐蝕運(yùn)算，(/θ幻為膨脹運(yùn)算，公式分別為 (f g) = min {f(n + m)-g(m)} ( =和w=0,1,...M-I1(/ φSr) = max {/(n~m) + g(m)} (η 二M-\,M,…,Ν- )w=0,1 …M-I②利用以下公式得到背景腦電信號y(n) y(n) = [oc(f(n))+co(f(n))]/2③得到檢出的棘波信號為:z(n) = f(n)-y(n)0
5.如權(quán)利要求4所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，在步驟3)中所述的棘波檢測的步驟中，N = 1280, M = 19。
6.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，步驟4)中計(jì)算棘波頻次SR的具體方法為a.根據(jù)檢出的每段腦電信號中的棘波信號ζ(η)，計(jì)算每段腦電信號的棘波個(gè)數(shù)；b.累積k段腦電信號的棘波個(gè)數(shù)A^M= |>wm(0。其中num⑴代表第i段信號的棘波數(shù)目，NUM為累計(jì)棘波值；c.計(jì)算棘波頻次(Spike Rate SR) :SR = NUM/t，其中t為k段腦電信號的時(shí)間長度。
7.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，步驟5)對棘波頻次SR進(jìn)行平滑，即用長度為1，移動(dòng)步長為d的平均濾波器平滑SR，得到平滑棘波頻次SRm。
8.如權(quán)利要求1所述的基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法，其特征在于，步驟6)將5艮與相應(yīng)閾值thres進(jìn)行比較，若SRm超過該閾值，則通過報(bào)警器報(bào)警，所述閾值的計(jì)算方法如下a.對j次腦電放電信號，找出每次放電時(shí)的平滑棘波頻次SRm的最大值Iiiax1, max2, . . . , maxj ；b.比較Hiax1,max2, . . .，max」，找出這j個(gè)值中的最小值min ；c.閾值thres = consXmin,其中 cons 為一常數(shù)。
9.一種利用權(quán)利要求1所述方法的基于腦電棘波頻次的預(yù)警裝置，包括依次以電路連接的腦電放大器、數(shù)據(jù)采集板、計(jì)算機(jī)和報(bào)警器，其特征在于，所述的計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝有基于腦電棘波頻次的預(yù)警模塊，所述腦電放大器、數(shù)據(jù)采集板對腦電信號進(jìn)行采集，并傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)基于腦電棘波頻次的預(yù)警模塊對腦電信號進(jìn)行以下處理濾波，去除偽跡和噪聲；對腦電信號分段，檢測每段腦電信號中的棘波；自動(dòng)記錄一段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)棘波，然后計(jì)算棘波頻次SR ；使用平滑濾波器平滑棘波頻次SR，得到SRm ；將平滑棘波頻次SRm與相應(yīng)閾值進(jìn)行比較，獲得預(yù)警結(jié)果。
10.如權(quán)利要求9所述的預(yù)警裝置，其特征在于，所述的報(bào)警器為揚(yáng)聲器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于腦電棘波頻次的預(yù)警方法和裝置，屬于腦電檢測預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的裝置包括依次電路連接的腦電放大器、數(shù)據(jù)采集板、計(jì)算機(jī)和報(bào)警器，并通過計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的腦電棘波頻次的預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)對腦電放電預(yù)警。本發(fā)明通過用形態(tài)學(xué)濾波器檢測腦電信號中的棘波，然后計(jì)算棘波頻次并進(jìn)行平滑，最后根據(jù)平滑后的棘波頻次對腦電放電進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到較好的預(yù)警效果。
文檔編號A61B5/0476GK102393874SQ201110183200
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者周衛(wèi)東, 李淑芳 申請人:山東大學(xué)