本文關鍵詞： 睡眠分期 腦電信號 眼電偽跡 連通度 規(guī)則庫　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：睡眠分期是對人在睡眠過程中所經歷的階段進行劃分。準確的睡眠分期能夠為睡眠問題的診斷提供可靠的技術支持,進而采取相應的措施進行調理和治療。睡眠分期一方面可以準確地描述睡眠中的狀態(tài)轉換過程,及時發(fā)現(xiàn)潛在的睡眠問題;另一方面,持續(xù)的監(jiān)測能夠有效地預防睡眠中的呼吸心跳暫停等突發(fā)性疾病,保護生命健康。目前常用的多導睡眠圖分期監(jiān)測方法在醫(yī)院等場所有著廣泛的應用,但由于其導聯(lián)數(shù)目較多、測量方式復雜、對監(jiān)測對象影響較大、同時還極易誘發(fā)其他生理偽跡干擾等缺點,嚴重限制了其進一步的發(fā)展和應用。相比而言,發(fā)展電極數(shù)目更少的便攜式或可穿戴式睡眠分期監(jiān)測設備已經成為當前的研究熱點之一。本文重點針對單通道腦電信號睡眠分期監(jiān)測過程中的若干關鍵技術進行了研究,研制了便攜式單通道腦電信號睡眠分期監(jiān)測設備,并進行了相關的實驗驗證。主要研究內容包括:(1)單通道腦電信號眼電偽跡去除。睡眠腦電信號中最主要的生理偽跡成分是快速眼動期的眼電偽跡。獨立成分分析算法已經在多通道腦電信號的眼電偽跡去除中取得了較好的效果。而在單通道腦電信號的眼電偽跡去除中,已有的WT-ICA算法存在超完備且分離結果不穩(wěn)定等問題。本文提出了一種用于單通道腦電信號眼電偽跡去除的WT-EEMD-ICA算法,通過引入集合經驗模態(tài)分解,解決了WT-ICA算法的超完備問題,在沒有參考眼電通道的條件下,僅通過單一通道的腦電信號,成功地實現(xiàn)了腦電信號和眼電偽跡的有效分離。(2)單通道腦電信號特征提取。傳統(tǒng)的多通道腦電信號特征提取往往集中于某個單一分析域,通過對比各通道參數(shù)的變化及分布情況進行特征提取。而對于單通道腦電信號,由于其嚴重的非線性和非平穩(wěn)特性,僅從一個分析域進行特征參數(shù)提取往往無法充分獲取睡眠腦電信號中的有價值信息。本文提出了一種用于單通道腦電信號的多分析域特征參數(shù)提取算法,同時采用非線性分析、時域分析、頻域分析以及時頻分析等方法,提取了多重分形去趨勢波動指數(shù)、序列連通度、FFT子頻帶能量比以及短時傅里葉變換時頻分布等特征參數(shù)。相對于近似熵、復雜度、符號熵以及AR模型等傳統(tǒng)參數(shù),本文所提取的多分析域特征參數(shù)具有更高的分類精度。(3)單通道腦電信號特征選擇。為了建立穩(wěn)定性和泛化能力更好的睡眠腦電數(shù)學模型,需要對所提取的全部特征參數(shù)進行優(yōu)化選擇,篩選出最適合建模的特征參數(shù)組合。在目前常用的模擬退火遺傳算法中,交叉概率和變異概率無法自適應調整,而且其鄰域隨機產生新解機制對解的穩(wěn)定性影響較大,嚴重的還會造成迭代結果不收斂。本文提出了一種自適應模擬退火遺傳算法,在模擬退火遺傳算法的基礎上增加了交叉概率和變異概率的自適應調整機制,采用基因優(yōu)化算法代替了模擬退火遺傳算法中的鄰域隨機選擇機制,并設計了加權適應度函數(shù)。相對于相關系數(shù)法、遺傳算法、自適應遺傳算法以及模擬退火遺傳算法,本文提出的特征選擇優(yōu)化算法能夠以更少的特征參數(shù)實現(xiàn)更高的分類精度。(4)單通道腦電信號特征分類。腦電信號具有嚴重的非線性和非平穩(wěn)特性,非線性分類方法相對于傳統(tǒng)的線性分類方法正確率較高。其中最具代表性的自適應模糊神經推理系統(tǒng)兼?zhèn)淞松窠浘W(wǎng)絡和模糊邏輯的優(yōu)點。但其在訓練過程中根據(jù)經驗建立規(guī)則庫的方法往往不能夠達到較好的訓練結果。本文提出了用于睡眠腦電分期的GA-ANFIS算法,通過遺傳算法對自適應模糊神經推理系統(tǒng)的每個輸入?yún)?shù)隸屬度函數(shù)個數(shù)進行優(yōu)化設置。相對于偏最小二乘法、最小二乘支持向量機以及傳統(tǒng)自適應模糊神經推理系統(tǒng)等分類算法,GA-ANFIS分類算法的睡眠分期精度更高。(5)睡眠分期監(jiān)測實驗。腦電信號的有效提取是睡眠分期監(jiān)測的基礎,通過頭皮電極采集的腦電信號幅度一般為10～100μV,頻率為0.5～100Hz,屬于低頻的微弱信號,且背景噪聲和干擾較為嚴重�；谝陨咸攸c,本文設計了便攜式單通道腦電信號睡眠監(jiān)測設備。該設備包含3個電極,共模抑制比高于100dB,輸入阻抗高于50M?。最后,設計了該設備與西班牙Morpheus Medical公司生產的IoC-View監(jiān)護設備的睡眠分期監(jiān)測對比實驗系統(tǒng),驗證了本文所設計的睡眠分期設備硬件及相關軟件算法的有效性。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R740;TN911.7

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