無標度腦波音樂研究.pdf

1、腦電信號（Electroencephalogram，簡稱EEG）是人腦神經(jīng)元活動的綜合表現(xiàn)，包含豐富的神經(jīng)信息。音樂是人腦智力活動的產(chǎn)物，對人的身心有著巨大的影響。大腦和音樂之間的關(guān)系，一直是神經(jīng)科學、心理學等領(lǐng)域研究的熱點問題。研究如何將腦電信號轉(zhuǎn)換為音樂，并對得到的音樂進行分析和研究，對深入探討大腦與音樂的關(guān)系有重要意義。
　　本文從挖掘腦電信號與音樂的數(shù)理共性入手，提出了系列的基于腦電與音樂共同遵循的無標度性質(zhì)的腦波音樂轉(zhuǎn)換

2、方法，主要工作如下：
　　1.根據(jù)腦電的振幅和音樂中音高的分布都滿足的無標度特征，提出了基于單道EEG數(shù)據(jù)的無標度腦波音樂方法，將EEG信號按照波形特征標記為“事件”，將一個事件映射為一個音符，其中事件的時間長度映射為音長，波形的振幅按照無標度關(guān)系映射為音高，平均功率映射為音強。實際的EEG信號被用于音樂生成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同狀態(tài)下的腦波音樂可以被較好地區(qū)分，與另一種基于喚醒度水平的腦波音樂生成方法相比，這種無標度的方法忠實反映了波

3、形的細節(jié)信息，并保留了信號原有的無標度性質(zhì)。同時開發(fā)了相應的實時腦波音樂系統(tǒng)，可以用于實時監(jiān)控或者反饋。
　　2.在單道無標度腦波音樂方法基礎(chǔ)上，提出了一種將兩道對稱電極的EEG信號轉(zhuǎn)換為兩聲部合奏腦波音樂的方法。首先將取自左右半球?qū)ΨQ電極的信號分別轉(zhuǎn)換為MIDI音樂序列，然后根據(jù)中國五聲調(diào)式和西方七聲調(diào)式的概念對其進行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)音樂的音高分布都符合無標度性，且兩種調(diào)式在大腦不同狀態(tài)下得到的標度指數(shù)有顯著的差異，其中五聲調(diào)式的

4、音樂聲部之間的協(xié)和性更高，其和聲音程的分布更符合無標度性。另外，經(jīng)過五聲調(diào)式的處理，大腦兩種不同睡眠狀態(tài)音樂的差異變得更為明顯。
　　3.通過對大量音樂作品的分析，發(fā)現(xiàn)音程的協(xié)和性振蕩具有無標度性，可以一定程度上反映作曲家的創(chuàng)作偏好，據(jù)此建立的音樂家網(wǎng)絡可以反映他們之間在和聲應用上的傳承和相互影響。在此基礎(chǔ)上，提出了無標度振蕩的腦波音樂方法，首先將兩個電極的信號分別轉(zhuǎn)換為MIDI音樂序列，然后利用同樣滿足無標度振蕩的EEG相位同步

5、指數(shù)，對該合奏音樂的音程協(xié)和性和音強進行調(diào)整。當兩個信號同步指數(shù)高時，音樂協(xié)和性就高，音強較大；當同步指數(shù)低時，音樂趨向于不協(xié)和，音強較小。對安靜狀態(tài)下睜眼和閉眼的腦波合奏音樂進行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后音樂的標度指數(shù)更加接近原始腦電信號。這種方法可以對大腦各腦區(qū)的協(xié)作性的動態(tài)變化進行藝術(shù)性地表達。
　　4.分析和討論了音樂中節(jié)奏的功率譜，選擇了各種不同風格的中國樂曲，包括古曲、兒歌、流行樂和地方戲曲，發(fā)現(xiàn)其節(jié)奏功率譜均符合標度分布。在此

6、基礎(chǔ)上，提出了多聲部腦波音樂方法。在將每個電極的信號分別轉(zhuǎn)換為MIDI音樂序列后，模擬作曲家的創(chuàng)作，設(shè)計了藝術(shù)濾波器，保留原始音樂中符合調(diào)式和節(jié)拍要求的音符，最終形成多聲部的合奏音樂。結(jié)果表明，合奏腦波音樂比單道音樂更具節(jié)奏感，其音樂性與豐富性也明顯優(yōu)于單道音樂。此外，合奏腦波音樂還具有更接近原始數(shù)據(jù)的標度指數(shù)，且更加易于區(qū)分不同的狀態(tài)。
　　5.將無標度腦波音樂用于齒科正畸疼痛控制。實驗中，被試在放置弓絲以后，被分為三個組，施以

7、不同的干預措施。腦波音樂組的被試要求每天聆聽本人的腦波音樂，該音樂采用的是在放置弓絲前采集的安靜閉眼狀態(tài)的EEG數(shù)據(jù)；空白對照組的被試不接受任何干預；認知行為療法（CBT）組的被試要求每天聆聽相應的錄音指導。實驗結(jié)果表明，腦波音樂對于正畸疼痛有較好的控制作用，與空白組和CBT組相比，腦波音樂組在疼痛量表得分上比其他兩組有明顯的降低，其EEG相干網(wǎng)絡的連接密度明顯大于空白組，比CBT組也略大，網(wǎng)絡參數(shù)更接近小世界屬性。這說明腦波音樂在疼痛