专利名称：三维脑电地形图装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脑电计算机处理和显示特别是将脑的生物电位以不同的色彩显示在计算机三维脑模型上的装置。
公知的脑电图仪(EEG)是用描记笔把多导电极脑电信号记录在纸上;检查人员分析时域波形以检查病人脑部疾病;这种检查方式综合分析各导电极信号的能力差，不便直观形象判读，且浪费纸张。
为解决上述问题，改进的方法是利用电子计算机硬件和软件技术将各导电极信号进行采集，FFT变换和各频段的功率谱计算，并将各频段的不同功率谱值在平面园形区域内以不同的色彩显示出来，以代表大脑各部位电位的变化。这里用平面园作为真实人脑的显示模型，这种技术称之为二维脑电地形。这种二维脑电地形图不能准确显示前额、双颞区、枕部及颅底的电位分布情况，在临床实际应用中往往会带来错误的判断。为解决此问题曾有用大脑侧面二维投影模型显示颞区脑电地形图，但仍不能从根本上解决二维平面显示的缺陷。
本发明的目的是用计算机构造一个真实的人脑的三维立体显示模型，提供一种三维脑电地形图装置。它能任意设置电极安放位置，以便能准确定位显示大脑任何部位各频段不同功率谱分布。
本发明的技术方案是三维脑电地形图装置由常规脑电图仪或前置放大器(1)，多路模/数转换器(2)，计算机(3)，显示器(4)和彩色输出设备(5)组成，特别是由计算机构造了一个三维大脑显示模型。
这三维大脑显示模型的构造特别是采用了基于自适应细分的曲面拟合方法，其具体作法是用石膏作一真实人脑模型，用CT扫描取得30～40层断面数据，开始用少量数据构造一个较粗糙的模型，然后自动地逐渐在需要细分的区域再用较多的数据构造该区域，这些需要细分的区域就是那些不接近真实模型的区域，并用Berasteln-Bezler双三次参数曲面方程作为大脑模型表面的表示。经过若干次选代后就能得到在一定指标下最优的三维大脑显示模型。这三维大脑显示模型由小曲面片组成。每个小曲面片的位置和法向方向都已知，三维大脑显示模型能绕任意空间轴旋转。
另一方面从病人头部获得的16～32导脑电信号经FFT变换和各频段功率累加，得到4个频段16～32个电极位置点的功率谱值。非电极位置的功率谱值特别地通过三维空间最小二乘插值方法求出。
最后，特别地用带有三维立体感的量值分布色彩显示方法把大脑各频段功率谱值的变化用不同的色彩在三维大脑显示模型上显示出来，使得三维大脑显示模型既能体现三维立体感，又能表现大脑各区域电位分布情况。具体作法是假设某小曲面片S的功率谱值是V，法向矢量是(m，n，q)。法向方向与设定光源方向的空间夹角是a，用计算机色彩表示系统H-S-L(色调-饱和度-光强)来实现色彩显示方案。即用色调分量H表现功率谱值的变化，用光强分量L体现三维立体感，饱和度分量选择适当常数。
本发明由于采用了基于自适应细分的曲面拟合方法构造了一个真实大脑显示模型，比公知的二维脑电地形图的平面图显示模型更接近实际大脑，而且由于采用了三维空间最小二剩插值方法，因此在功率谱插值计算方面更准确，另外由于采用了带有三维立体感的量值变化分布色彩显示方法，因此在定位观察人脑电位变化方面更精确，并能显示出二维脑电地形图无法显示的一些大脑区域(前额、双颞区、枕区及颅底面)的电位变化;另外能作到随意设置电极安放位置，以便详细观察感兴趣部位的脑电位分布情况，这也是公知的二维脑电地形图无法作到的。
下列附图描述了本发明的一个具体实施方式
。
图1为本发明的硬件结构图。
图2为本发明的主要工作流程图。
在图1中描述了本发明的所有硬件组成、连接关系和信号流向。
常规脑电图仪或前置放大器(1)可任选其中一种，最好有16导电极，经放大到±5伏之内的脑电信号从此而来。脑电信号经过多路模/数转换器(2)进行模/数转换，多路模/数转换器(2)的通道数最好也是16，以便与(1)匹配，采样精度是8～12bits，每通道最小采样率不小于120Hz。另外多路模/数转换器(2)得有二路模拟信号输出，以便对常规脑电图仪或前置放大器以及视觉或听觉刺激器进行控制。
微型计算机(3)是本发明装置的核心部件，它用于重建三维大脑显示模型，处理脑电数据，完成三维脑电地形的处理计算以及对整个装置实施控制和协调，由于计算量很大，最好选择如386以上的机型，也由于其程序量和数据量较大，最好有6M以上的内存量。三维脑电地形图通过计算机显示器(4)显示出来，计算机显示器(4)至少有480×640的显示分辨率和丰富的色彩层次(至少有256种)。彩色输出设备(5)用于输出显示结果和检查报告，以便永久保留，要求有较丰富的色彩层次。
在图2中描述了本发明的主要工作流程。首先是三维大脑显示模型的建立(1)，本发明其中之一的特殊之处就是用基于自适应细分的曲面拟合方法把CT断层数据重建成三维大脑显示模型。其方法的具体步骤是开始用少量数据构造一个较粗糙的模型，然后自动地逐渐在需要细分的区域再用较多的数据构造该区域，这些需要细分的区域就是那些不接近真实模型的区域，并用Bernstein-Bezier双三次参数曲面方程作为大脑模型表面表示。经过若干次迭代后就能得到在一定指标下最优的三维大脑显示模型。此方法的优点是细分具有局部性，因此减少了许多计算量。
三维大脑显示模型建立的表现形式是计算出了大脑显示模型上每个小曲面片S的三维位置P和该曲面片的法向矢量(m，n，q)，以及该法向矢量与设定光源方向的空间夹角a。
脑电信号获取(2)是以共地参考方式进行，每导采样率不小于120Hz，采样时间是3～10分钟。
脑电信号处理(3)包括FFT变换和各频段功率谱计算。FFT变换是从3～10分钟挑选出5～20段无伪差的脑电数据分别进行的，每段数据点是512，并求其平均得到平均频谱特性。然后按频段划分规则，计算出每导脑电数据4个频段的功率谱值。
非电极位置点脑电功率谱值(4)采用了本发明人提出的三维空间最小二乘插值方法，这也是本发明的特色之一。三维空间最小二乘插值方法的具体实施方案是假设16个电极位置坐标和功率谱值已知，即(Xei，Yei，Zei，Vei)(i＝0，1，…，15)已知，现求三维大脑显示模型上任意点P(a，b，c)的功率谱值V，构造一个关于a，b和c的二次函数
(1)其中fj(j＝0，1，…，9)是待定系数;
再构造一个误差函数Q=Σi=015(V(Xei,Yei,Zel)-Vel)2W(dl)----(2)]]>其中di＝(Xei-a)2+(Yei-b)2+(Zei-c)2(i＝0，1，…，15) (3)
-di/BW(di)＝e (4)其中B是di(i＝0、1、2、…15)的平均值。
然后求误差函数的极值，即求Q的关于fj(j＝0，1，…，9)的偏微分，并令其为零，得到如下关于系数fj(j＝0，1，…，9)的线性方程组
(j＝0，1，…，9) (5)求解此方组得到上述二次函数的系数fj(j＝0，1，…，9)。
因此就能通过(1)式求出点P的功率谱值V。
三维脑电地形图显示(5)是本发明的最终目标，这种显示即能在三维大脑显示模型上表明大脑各区域的脑电分布情况，又能体现出三维大脑显示模型的三维立体效果。这是本发明的最大特征。为实现此目的采用了本发明人提出的带有三维立体感的量值变化分布色彩显示方法。本方法的基本思想是用各种不同色彩表示三维大脑显示模型的每个小曲面片上不同功率谱值，再依据该小曲面片的法向方向与设定光源方向的空间夹角大小，施以该颜色的明暗的变化来体现三维效果，这种显示技术模拟了现实生活中某种物体色彩明暗变化能体现立体感的视觉现象。具体作法是在众多的计算机色彩表示系统中选用H-S-L(色调-饱和度-光强)作为本发明的色彩表示系统。用功率谱值V控制色调分量ch，用小曲面片法向方向与设定光源方向的空间夹角α控制光强分量cl，固定饱和度分量cs。
即小曲面片S的色彩分量Sch，Scs，Scl(色调分量，饱和度分量，光强分量)可通过以下公式得到Sch＝(Hm/Vm)V (6)Scs＝适当常数 (7)Scl＝LmCOS(a) (8)其中Hm是色调的最大值，Vm是最大功率谱值，Lm是最大光强值。
权利要求
1.一种由常规脑电图仪或前置放大器(1)，多路模/数转换器(2)，计算机(3)，计算机显示器(4)和彩色输出设备(5)组成的三维脑电地形图装置，其特征在于用计算机构造了一个三维大脑显示模型。
2.根据权利要求1所述三维脑电地形图装置，其特征在于三维大脑显示模型的构造采用了基于自适应细分的曲面拟合方法。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于三维脑电地形图显示采用了带有三维立体感的量值分布色彩显示方法。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于非电极位置的功率谱值是通过三维空间最小二乘插值方法求出。
全文摘要
本发明的目的是用计算机通过基于自适应细分的曲面拟合方法构造一个真实人脑的三维立体显示模型，提供了一种三维脑电地形图装置。三维脑电地形图显示采用了三维空间最小二剩插值方法和带有三维立体感的量值变化分布色彩显示方法。三维大脑显示模型能随意转动；本发明能任意设置电极安放位置，既能以色彩形式准确定位显示大脑任何部位各频段不同功率谱分布，又能使三维大脑显示模型体现出三维立体效果。
文档编号G09B23/30GK1065540SQ9111181
公开日1992年10月21日 申请日期1991年12月25日 优先权日1991年12月25日
发明者杨文俊, 周龙旗, 高洛民, 黄涛, 郭德纨 申请人:中国人民解放军第一军医大学