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基于多通道匹配追踪算法的时频分析研究及在脑电信号处理中的应用

作　者: 校午阳
导　师: 郑旭媛
学　校: 天津医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 匹配追踪时频表示多通道 EEG 癫痫
分类号: TN911.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

研究目的：生物医学信号大部分属于时变非平稳信号,时频分析方法是分析此类信号的有力工具。本文针对短时傅里叶变换时频分辨率低以及Wigner-Ville分布存在交叉项干扰的问题,深入研究基于匹配追踪的时频表示方法。通过与短时傅里叶变换和Wigner-Ville分布的对比,验证匹配追踪算法在时频表示方面的性能。在此基础上,对多通道匹配追踪算法进行研究,期望通过研究不同最优原子选择标准对算法计算精度和计算时问产生的影响,得到种实用的最优原子选择标准,并将多通道匹配追踪算法用于脑电信号的时频表示。研究方法：1.单通道匹配追踪时频分析的仿真和实验研究将单通道匹配追踪算法与短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、平滑伪Wigner-Ville分布进行仿真对比。为了说明Wigner-Ville分布中交叉项干扰情况以及以上几种方法对噪声的敏感性,仿真信号为两种不同频率(6Hz和8Hz)正弦信号的叠加,并分别附加不同强度的高斯白噪声,得到信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)分别为5dB,-0.5dB和-5dB的三组仿真信号。利用匹配追踪算法和短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、平滑伪Wigner-Ville分布分别对仿真信号进行时频分析。在仿真研究的基础上,对脑电信号进行时频分析。应用匹配追踪算法、短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布对5例正常脑电信号和5例癫痫脑电信号进行时频分析,获得脑电信号的时频分布。2.基于信号绝对值最优原子选择标准的多通道匹配追踪算法的研究多通道匹配追踪算法是单通道匹配追踪算法的扩展,迭代过程中最优原子选择标准是多通道匹配追踪算法重要的研究方向之一。本论文对已有的两种最优原子选择标准：基于信号能量的选择标准和基于信号均值的选择标准,深入研究。针对基于信号能量的原子选择标准计算精度虽高,但时间较长,基于信号均值的原子选择标准计算时间较短,但精度较低的情况。提出基于信号绝对值的最优原子选择标准,并将其与已有的两种最优原子选择标准进行对比。研究在不同的迭代次数下,基于三种最优原子选择标准的多通道算法的计算精度和时间。利用本文提出的基于信号绝对值的最优原子选择标准的多通道匹配追踪算法对临床脑电信号进行时频分析,获得脑电信号的时-频-空分布图,研究正常和癫痫脑电信号的时-频-空分布的不同表现。研究结果：1.仿真研究结果表明,基于单通道匹配追踪算法的时频表示不仅能够消除Wigner-Ville分布中出现的交叉项干扰问题,而且具有较好的时频分辨率,同时具有一定的抗干扰能力。对临床脑电信号的时频分析表明,与其他时频分析方法相比,基于单通道匹配追踪算法的时频分析能够精确地表达脑电信号的时频信息。2.多通道匹配追踪算法中三种最优原子选择标准的实验结果表明,在不同的迭代次数下,基于信号绝对值的最优原子选择标准的绝对误差与基于信号能量的最优原子选择标准的绝对误差没有显著性差异,但计算时间得到降低(P<0.05)；在迭代次数大于100时,基于信号绝对值的最优原子选择标准的绝对误差与基于信号均值的最优原子选择标准的绝对误差相比,绝对误差较小(P<0.05),计算时间较长(P<0.05)。表明基于信号绝对值的最优原子选择标准在多通道匹配追踪算法中是一种较为实用的最优原子选择标准。3.应用多通道匹配追踪算法对脑电信号进行时频分析表明,多通道匹配追踪算法能够在同一平面内对脑电信号中各个导联的时频信息进行表示,能够获得多通道脑电信号的时-频-空分布。研究结论：匹配追踪算法能够实现对信号的参数化表示,不但消除了Wigner-Ville分布中的交叉项干扰,而且可以获得具有较高时频分辨率的时频分布。对多通道匹配追踪算法中最优原子选择标准的研究表明,基于信号绝对值的最优原子选择标准在保证计算精度的前提下,使多通道匹配追踪算法计算时间得到了降低。基于多通道匹配追踪算法的时频表示,采取了矩阵的表现形式(矩阵中元素相应于脑电信号的各个导联),能够将多个通道脑电信号的时频信息在一个平面内表现,可以获得多通道脑电信号的时-频-空分布。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-11
缩略语/符号说明  11-12
一、前言  12-17
  1.1 研究背景  12-14
    1.1.1 时频分析的发展历史  12-13
    1.1.2 匹配追踪算法  13-14
  1.2 研究目的  14-15
  1.3 研究的主要内容  15-17
二、原理和方法  17-29
  2.1 时频分辨率  17-19
    2.1.1 海森堡测不准原理  17-18
    2.1.2 基于矩形窗函数的时频分辨率  18
    2.1.3 基于高斯窗函数的时频分辨率  18-19
  2.2 常用时频分析方法  19-20
    2.2.1 短时傅里叶变换  19
    2.2.2 Wigner-Ville分布  19-20
    2.2.3 平滑伪Wigner-Ville分布  20
  2.3 基于匹配追踪的时频分析方法  20-24
    2.3.1 基函数选择及参数确定  21-22
    2.3.2 匹配追踪算法流程  22-23
    2.3.3 匹配追踪算法时频分析原理  23-24
  2.4 多通道匹配追踪算法  24-29
    2.4.1 多通道匹配追踪算法原理  24
    2.4.2 最优原子选择标准  24-29
三、结果  29-50
  3.1 单通道匹配追踪时频分析  29-35
    3.1.1 仿真结果  29-32
    3.1.2 脑电信号处理结果  32-35
  3.2 多通道匹配追踪时频分析  35-50
    3.2.1 最优原子选择标准研究结果  35-38
    3.2.2 多通道脑电信号的时-频-空分布图  38-40
    3.2.3 脑电信号处理结果  40-50
四、结论与讨论  50-54
  4.1 结论  50
  4.2 讨论  50-54
    4.2.1 迭代次数的选择  50-52
    4.2.2 迭代过程中最优原子选择标准  52
    4.2.3 时频表示方法  52-54
参考文献  54-60
发表论文和参加科研情况说明  60-61
综述  61-72
  匹配追踪算法及其应用  61-68
  综述参考文献  68-72
致谢  72

基于多通道匹配追踪算法的时频分析研究及在脑电信号处理中的应用

内容摘要

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