一种快速求解大通道生理信号偏相干系数的方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速求解大通道生理信号的偏相干系数的方法。该方法在传统递归法的基础上，简化了递推和回归过程，提出了一种新的递推和回归的方法；在此基础上根据大通道生理信号的通道数目，推导出对应的递推树并将其保存；然后分别计算大通道生理信号的两两通道之间的互谱密度以及各个通道的自谱密度，得到两两通道之间的零阶偏相干系数；根据推导出的递推树完成从低阶到高阶偏相干系数的回归，最终获得大通道生理信号两两通道所对应的偏相干系数矩阵；利用可视化方法，将大通道生理信号两两通道之间的偏相干系数用通道之间的连线和连线的色彩加以直观地呈现。通过上述方法，实现大通道生理信号的偏相干系数的快速求解及结果的可视化。
【专利说明】一种快速求解大通道生理信号偏相干系数的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医学信号处理技术，特别是涉及到求解大通道生理信号的两两通道之间的偏相干系数的方法。
【背景技术】
[0002]相干系数考察的是两个信号之间的频域同步特性。在相干系数基础之上发展而来的偏相干系数适合于多通道(通道数> 3)信号分析。偏相干系数的原理是排除其他通道信号的影响后单独考察某两个通道信号之间的频域同步性。作为一种有效的多通道频域分析方法，偏相干系数已成为分析生理信号的一种有效手段。
[0003]假设有η个时间序列分别对应η个信号(其中η > 3)。对两两信号进行偏相干分析能够在频域上表示出两个信号在频域的直接关联度，这里的“直接”表示所分析的两个信号已去除了其它n-2个第三方信号的贡献成分，其中，n-2为偏相干系数条件变量数，又称为偏相干系数的阶数。
[0004]为了尽可能地获得详尽的数据，生理信号的采集大多使用大通道设备，如近红外脑功能成像仪一般为20至60通道，脑电图多为20至128通道，脑磁图甚至达到275或306通道，而功能核磁共振可以将各个像素视为通道，在这种情况下功能核磁共振的通道数可以达到上千个。因此，大通道生理信号偏相干系数的求解在生理信号分析与处理领域具有重要意义。
[0005]Medkour 于 2009 (T.Medkour, A.T.Walden, A.Burgess, Graphical modellingfor brain connectivity via partial coherence.Journal of neurosciencemethods, 2009，180(2):374-383.)年总结了生理信号处理中求解偏相干系数的三种方法，分别是:直接法，求逆法和递归法。
[0006]I)直接法
[0007]1989 年，JR.Rosenberg (JR.Rosenberg, AM.Amjad, P.Breeze, etal.The Fourierapproach to the identification of functional coupling between neuronal spiketrains.Progress in biophysics and molecular biology，1989，53 (I): 1-31.)给出了利用谱密度函数求解偏相干系数的公式，称为直接法:
【权利要求】
1.一种快速求解大通道生理信号偏相干系数的方法，其特征在于:本方法适用于反映大脑含氧血红蛋白含量和神经活动电磁信号等生理指标的近红外脑功能成像仪、脑电图、脑磁图、功能核磁共振等大通道生理信号，该方法包括如下步骤: 第一步:在求解两两通道之间的偏相干系数的递推过程中，提出了如下的递推公式:
2.根据权利要求1所述的快速求解大通道生理信号偏相干系数的方法，其特征在于:第一步所述基于递推公式推导递推树，当P≤rs+2且q < P属于Partl时，(RrJ与(Xp, Xq)存在一一映射关系，{RJ为由信号编号I至rs+2中除去信号P和q剩余的信号中选取rs个信号组成；当P≥rs+3且q < rs+2属于Part2时,对于不同的P和相同的q所组成的信号对(P，q)，其对应的{RJ都与信号对(P = rs+3, q)所对应的{RrJ相同，而{RrJ为信号编号I至rs+3中除去信号P和q剩余的信号中选取rs个信号组成；当P > q且q≥rs+3属于Part3时，所有信号对(p，q)的{RJ都与信号对(P = rs+4, q = rs+3)所对应的{Rj相同，而{RJ为信号编号I至rs+4中除去信号P和q剩余的信号中选取rs个信号组成。
3.根据权利要求1中第二步所述信号的互谱密度和自谱密度的计算，其特征在于:利用Welch法求得互谱密度或自谱密度，将总长为N的生理信号的各个通道数据分为8段，每段长度为L = NS，相邻两段数据前后50%相互重叠，每个分段数据采用汉宁(Hanning)进行加窗运算。
4.根据权利要求1第五步所述的利用可视化方法，其特征在于:将偏相干系数结果直观呈现的步骤具体为:获得偏相干系数矩阵后，以生理信号各个通道所在的空间位置的中心为坐标原点，对各个生理信号通道的3维坐标(x，y，z)，令z = 0，将其投影到2维示意图(x，y)上；设定显示阈值，所述阈值满足:偏相干系数数值e [O, I]，O≤阈值≤I ;当某两个通道之间的偏相干系数低于该阈值时则不显示，如高于该阈值时则将该两通道用直线连接；再利用归一化方法将偏相干系数数值与RGB彩色对应，RGB数值(1，O, O)对应于偏相干系数最大值，RGB数值(O，O, I)对应于最小值，其它偏相干系数数值与RGB数值按线性关系对应，最终以线条的空间连接和的颜色将偏相干系数结果直观呈现。
【文档编号】G06F19/00GK103678934SQ201310724679
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】葛盛, 唐海英, 禹东川 申请人:东南大学