顱腦損傷康復(fù)監(jiān)測(cè)中的非線性動(dòng)力學(xué)方法研究.pdf

1、大腦是人體最復(fù)雜的生理器官，其不但支配人的思維和行為，而且也是控制情緒和植物神經(jīng)功能的最高神經(jīng)中樞，這些神經(jīng)活動(dòng)對(duì)外反映在大腦皮層腦電信號(hào)的變化上，對(duì)于顱腦損傷所引起的不同程度的意識(shí)與認(rèn)知障礙，也反應(yīng)在腦電信號(hào)的特征參數(shù)的變化上。本論文研究的目的是期望以正常人和顱腦損傷病理病人樣本的思維腦電信號(hào)為研究對(duì)象，以相關(guān)維值和復(fù)雜度兩個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)指標(biāo)為特征指標(biāo)，探索正常樣本和顱腦損傷病理樣本腦電信號(hào)的非線性動(dòng)力學(xué)指標(biāo)在數(shù)值上的差異，探索病理樣

2、本在不同治療與康復(fù)時(shí)期動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì)與規(guī)律，為人體大腦的意識(shí)與認(rèn)知功能評(píng)價(jià)、腦損傷診斷、損傷康復(fù)監(jiān)測(cè)提供臨床上初步的數(shù)字化參考指標(biāo)。
　　 本研究以實(shí)驗(yàn)采集的各種樣本在多個(gè)不同思維與意識(shí)狀態(tài)下的腦電信號(hào)為分析對(duì)象，以非線性動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以信號(hào)處理的理論與方法為手段，系統(tǒng)研究了動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)的計(jì)算方法、腦電信號(hào)的預(yù)處理方法、腦電信號(hào)的非線性指標(biāo)的計(jì)算方法、樣本數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析等。本論文具體完成的研究工作主要包括：

3、　　 (1)深入研究了非線性動(dòng)力學(xué)的理論，討論了相關(guān)維值與Kolmogorov復(fù)雜性等非線性特征指標(biāo)的特性與計(jì)算方法，并對(duì)相空間的重構(gòu)參數(shù)和指標(biāo)的各種計(jì)算參數(shù)的選擇作了對(duì)比分析，給出了各個(gè)參數(shù)的參考確定標(biāo)準(zhǔn)，并編制了各指標(biāo)的完整計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了各動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的計(jì)算。
　　 (2)從吸引子重構(gòu)、散點(diǎn)圖、功率譜特征和數(shù)值識(shí)別幾方面論證了腦電時(shí)間序列的混沌特征，結(jié)果表明腦電信號(hào)具有典型的非線性特征，可以利用非線性指標(biāo)來描述腦電信號(hào)。<

4、br>　　 (3)設(shè)計(jì)了腦電信號(hào)采集時(shí)受試者思維與意識(shí)任務(wù)方案，并采集了不同樣本組的臨床原始腦電信號(hào)。利用數(shù)字濾波和小波變換實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦電時(shí)間序列中的工頻干擾、基線漂移、肌電干擾、心電干擾和眼動(dòng)干擾等干擾信號(hào)的去除。利用思維腦電的陣發(fā)性理論實(shí)現(xiàn)了腦電信號(hào)與思維意識(shí)活動(dòng)之間的同步分離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦電信號(hào)的有效選段，從而獲得可供實(shí)驗(yàn)分析的有效腦電數(shù)據(jù)，改善了分析結(jié)果的可靠性與正確性。
　　 (4)從相關(guān)維值D2計(jì)算過程中重構(gòu)相空間點(diǎn)的

5、高密度性入手，改進(jìn)了傳統(tǒng)G-P算法，大大提高了相關(guān)維值的計(jì)算速度，同時(shí)保證了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，并對(duì)原始算法及其改進(jìn)算法的計(jì)算工作量進(jìn)行推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。提出了利用高階復(fù)雜度來描述動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)特征的復(fù)雜性指標(biāo)，有效降低了對(duì)時(shí)間序列字符化時(shí)信息的丟失，提高復(fù)雜度描述的精確性。
　　 (5)計(jì)算了不同樣本在不同狀態(tài)下的臨床腦電數(shù)據(jù)的相關(guān)維值D2和復(fù)雜度指標(biāo)Ck，并對(duì)計(jì)算結(jié)果作了不同狀態(tài)、不同病理和大腦不同區(qū)域的對(duì)比分析，結(jié)果表明相關(guān)維值D

6、2和復(fù)雜度Ck在不同性質(zhì)的樣本、大腦不同區(qū)域與不同狀態(tài)下均存在明顯的數(shù)值上的差異。
　　 在本論文涉及的研究工作中，主要的創(chuàng)新工作包括：
　　 (1)提出了利用腦電信號(hào)的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)顱腦損傷病人意識(shí)障礙程度的定量化評(píng)價(jià)方法，此方法與傳統(tǒng)的評(píng)分評(píng)價(jià)方法相比，避免了評(píng)價(jià)需要豐富的臨床醫(yī)學(xué)知識(shí)和主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn)，并具有無創(chuàng)性、數(shù)值化與可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　 (2)設(shè)計(jì)了腦電信號(hào)采集時(shí)受試者思維與意識(shí)任務(wù)的整

7、套方案。在試驗(yàn)組中，根據(jù)初步的研究設(shè)計(jì)了五種實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而在實(shí)驗(yàn)組中，設(shè)計(jì)了八種不同的思維與適宜任務(wù)。并在不同的思維與意識(shí)任務(wù)下，收集了所有的研究用原始腦電數(shù)據(jù)。
　　 (3)利用多種信號(hào)處理的方法與手段，剔除了腦電信號(hào)中的各種干擾噪聲與偽跡，并實(shí)現(xiàn)了思維腦電信號(hào)的同步分離，提高了腦電信號(hào)分析與計(jì)算時(shí)的有效性，并利用重構(gòu)相空間點(diǎn)的高密度性對(duì)腦電信號(hào)的相關(guān)維值的計(jì)算算法作了改進(jìn)，在選擇合適的時(shí)間間隔τ時(shí)，既提高了運(yùn)算速度，又可以保證

8、計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。
　　 (4)給出了不同樣本在不同狀態(tài)下腦電信號(hào)的相關(guān)維值D2和復(fù)雜度Ck的分析結(jié)果。發(fā)現(xiàn)相關(guān)維值D2和復(fù)雜度Ck在描述腦電信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特征時(shí)具有相似的特征表現(xiàn)：人體大腦在進(jìn)行復(fù)雜的思維與意識(shí)活動(dòng)時(shí)，相關(guān)維值D2和復(fù)雜度Ck的數(shù)值比大腦在進(jìn)行簡單思維與意識(shí)活動(dòng)時(shí)要大；正常人樣本的相關(guān)維值D2和復(fù)雜度Ck的數(shù)值比同狀態(tài)下病人樣本的數(shù)值大；人體大腦的左右半球在相關(guān)維值D2和復(fù)雜度Ck的數(shù)值統(tǒng)計(jì)上也存在差異；顱腦損傷