[发明专利]一种基于同频和跨频信息交互的多层脑网络模型构建方法

说明书

本发明提供了一种基于同频和跨频信息交互的多层脑网络模型构建方法，包括脑电信号多层频带的有效提取、多层频带间功能连接指标计算、多层脑网络模型构建及可视化。首先同步获取能够体现大脑功能状态的多通道脑电信号，定义电极位置为网络节点，基于小波包分解对预处理后的信号进行频带划分；其次，基于锁相值计算多层脑网络的边，进而构建多通道脑电信号同频段内邻接矩阵和跨频段间的网络连接矩阵；再次，以特征频带为分层依据构建多层脑网络模型，进一步结合图论法对层内和层间网络特征进行可视化呈现并计算。本发明从多通道脑电信号的同频带内和不同频带间的同步关系进行综合分析，有助于深入理解大脑运动功能状态的网络结构和拓扑特征。

技术领域

本发明涉及神经康复工程及运动机制研究领域，特别涉及一种基于同频和跨频信息交互的多层脑网络模型构建方法。

背景技术

大脑是人类神经系统最高级的部分，基于图论分析技术的复杂脑网络分析是目前探究大脑功能区域信息交互的主要方法之一，脑网络分析已经被广泛的应用在了神经性或精神性系统等疾病的研究中。脑卒中是一种由于脑部血管破裂或堵塞导致的脑部组织损伤的疾病，近些年，我国脑卒中的发病率逐年上升且呈现发病人群年轻化的趋势，80％以上的脑卒中患者伴有运动功能障碍，探究脑卒中康复过程中脑网络功能连接及拓扑结构的变化有助于理解大脑运动控制过程和运动功能恢复机制。

已有研究表明，脑卒中不仅会造成大脑组织结构的变化还会进一步影响脑网络的功能连接和结构，且患者的脑网络会随着康复过程发生一系列变化。然而现阶段的脑网络研究主要集中在单层次功能网络连接或单频段分析，角度较为单一。众所周知，大脑是一个高度复杂的系统，其信息传递过程也是复杂的，不仅存在同频耦合还有交叉频率耦合，因此提出构建多层频带脑网络模型的分析方法，从同频段及跨频段角度分析脑网络的功能特性。

发明内容

为解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于同频和跨频信息交互的多层脑网络模型构建方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于同频和跨频信息交互的多层脑网络模型构建方法，包括以下步骤：

一、对同步采集到的若干通道脑电信号进行预处理后，采用小波包方法对多通道脑电信号进行频带划分，有效获取θ波、α波、β波和γ波多通道脑电特征频带；

二、基于锁相值(PLV)方法，构建多通道脑电特征频带同频段内邻接矩阵和跨频段间的网络连接矩阵构成的多层频带网络模型；

三、以多通道脑电特征频带为分层依据，基于多层频带脑网络模型，结合图论法对层内和层间网络特征进行可视化呈现并计算。

本方法的进一步改进在于：步骤一中具体为：对同步采集到的若干个通道脑电信号预处理并进行小波包分解，得到在有效频率范围内的多个子频带；进一步将分解后的子频带进行合成为θ波(4-8Hz)、α波(8-12Hz)、β波(12-32Hz)和γ波(32-80Hz)频段，进而有效获取多通道脑电的特征频带。

本方法的进一步改进在于：步骤二的具体方法如下：

分别以θ波、α波、β波和γ波频段脑电信号的时间序列为研究对象进行展开说明，多通道脑电信号的时间序列如下所示：

其中n为时间点数，Ch₁,Ch₂,…,Ch_m分别对应若干个不同通道脑电信号的时间序列，2≤m≤M，M为总通道数。

a).通过希尔伯特变换得到各通道脑电信号的瞬时相位：