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2016014016-自实1601-陈帅华-翻译1
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关键词:脑电图,离散小波变换,小波熵,支持向量机,人工神经网络,k最邻近算法第1章 介绍人类大脑的神经活动始于产前发育的第17至23周。人们认为,从这个早期和整
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北京化工大学本科毕业设计(论文)翻译
北京化工大学
信息科学与技术学院
毕业设计(论文)翻译
外文题目:Epileptic EEG signal classification based on wavelet
transform and support vector machine
中文题目:基于小波变换和支持向量机的癫痫脑电信号分类
专 业 : 自 动 化 实 验 班
所 在 班 级 : 自 实 1 6 0 1
学 生 姓 名 : 陈 帅 华
学 生 学 号 : 2 0 1 6 0 1 4 0 1 6
导 师 姓 名 : 宿 翀
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日 期
北京化工大学本科毕业设计(论文)翻译
1
译 者 姓 名:陈 帅 华 班 级:自 实 1601 学 号:2016014016
Relative Wavelet Energy and Wavelet Entropy Based
Epileptic Brain Signals Classification
基 于 相 对 小 波 能 量 和 小 波 熵 的 癫 痫 脑 电 信 号 分 类
摘 要
目 的 : 由 于 脑 电 记 录 长 度 较 长 , 专 家 对 脑 电 信 号 进 行 人 工
分 析 非 常 耗 时 。 为 了 区 分 正 常 、 发 作 间 期 和 发 作 期 ( 癫 痫 ) 脑
电 图 , 必 须 进 行 适 当 的 计 算 机 分 析 。
方 法 : 本 文 利 用 离 散 小 波 变 换 ( DWT) 将 脑 电 信 号 分 解 成
不 同 的 子 带 , 得 到 细 节 和 近 似 小 波 系 数 。 这 些 系 数 用 于 计 算 不
同 数 据 集 的 相 对 小 波 能 量 和 小 波 熵 的 定 量 值 , 以 选 择 脑 电 信 号
的 特 征 。 支 持 向 量 机 ( SVM )、 前 馈 反 向 传 播 神 经 网 络
( FFBPNN )、 k 最 邻 近 分 类 器 ( k-NN ) 和 决 策 树 分 类 器 ( DT)
都 用 于 对 脑 电 信 号 进 行 分 类 。
结 果 : 结 果 表 明 用 支 持 向 量 机 对 正 常 人 眼 睁 开 状 态 ( 数 据
集 A) 和 癫 痫 数 据 集 E 分 类 的 正 确 率 为 96.25%。 用 k-NN 分 类
器 对 正 常 闭 眼 者 与 癫 痫 数 据 集 E 的 分 类 准 确 率 为 83.75%。使 用
FFBPNN 区 分 发 作 间 期 数 据 集 C 与 发 作 期 数 据 集 E 以 及 发 作 间
期 数 据 集 D 与 发 作 期 数 据 集 E 时 , 分 别 获 得 97.5%和 97.5%的
相 似 精 度 。 这 些 精 度 比 之 前 公 布 的 结 果 要 高 得 多 。 在 本 文 的 最
后 一 节 中 , 对 结 果 进 行 了 详 细 的 讨 论 。
结 论 : 我 们 的 实 验 结 果 表 明 , 该 方 法 为 脑 电 分 类 , 特 别 是
对 发 作 间 期 数 据 ( C, D) 和 发 作 期 数 据 ( E) 的 分 类 提 供 了 较
高 的 统 计 参 数 。 这 些 实 验 表 明 , 该 方 法 可 用 于 癫 痫 相 关 脑 电 信
号 的 分 析 和 检 测 。
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2
关 键 词 : 脑 电 图 , 离 散 小 波 变 换 , 小 波 熵 , 支 持 向 量 机 , 人 工
神 经 网 络 , k 最 邻 近 算 法
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3
第 1 章 介 绍
人 类 大 脑 的 神 经 活 动 始 于 产 前 发 育 的 第 17 至 23 周 。 人 们 认 为 , 从
这 个 早 期 和 整 个 生 命 周 期 , 大 脑 产 生 的 电 信 号 不 仅 代 表 大 脑 的 功 能 , 而
且 也 代 表 整 个 身 体 的 状 态 。 脑 电 图 ( EEG ) 是 一 种 无 创 性 的 检 测 方 法 ,
它 包 含 了 许 多 关 于 病 人 健 康 状 况 和 大 脑 不 同 生 理 状 态 的 信 息 。 它 可 以 在
很 长 一 段 时 间 内 被 记 录 下 来 , 用 于 监 测 神 经 系 统 疾 病 , 如 癫 痫 发 作 , 但
这 些 记 录 并 不 是 永 久 性 的 。 这 些 脑 电 图 记 录 由 训 练 有 素 的 专 业 人 员 肉 眼
检 查 , 以 检 测 癫 痫 发 作 。 然 后 这 些 信 息 将 用 于 临 床 诊 断 和 可 能 的 治 疗 计
划
[ 1 ]
。
世 界 上 约 有 1 % 的 人 口 患 有 癫 痫 , 这 是 一 种 正 常 大 脑 功 能 的 紊 乱 ,
其 特 征 是 大 脑 结 构 中 大 量 神 经 元 存 在 异 常 同 步 放 电 。 癫 痫 发 作 是 癫 痫 的
表 现 , 这 是 由 于 大 脑 皮 层 突 然 进 行 同 步 神 经 元 放 电 , 并 被 脑 电 图 记 录 下
来 。 癫 痫 发 作 可 能 在 大 脑 局 部 发 生 ( 部 分 行 癫 痫 发 作 ), 这 仅 见 于 脑 电
记 录 的 几 个 通 道 ; 也 可 能 波 及 整 个 大 脑 ( 全 身 性 癫 痫 发 作 ), 这 在 脑 电
记 录 的 各 个 通 道 均 可 见 。 临 床 神 经 学 家 在 日 常 工 作 中 通 常 检 查 发 作 间 期
的 短 记 录 ( 通 常 为 20 分 钟 记 录 )。 发 作 间 期 最 常 见 的 形 式 是 单 个 或 孤 立
的 尖 峰 、 尖 波 和 尖 峰 波 以 及 复 合 波 。 大 多 数 癫 痫 患 者 都 有 这 种 感 觉 。 因
此 , 发 作 间 期 的 检 测 在 癫 痫 的 诊 断 中 起 着 至 关 重 要 的 作 用 。 然 而 , 在 一
次 孤 立 的 发 作 中 , 大 脑 并 没 有 出 现 临 床 发 作 。 在 发 作 期 观 测 到 一 种 不 同
的 EEG 模 式 ,它 包 括 各 种 频 率 的 节 律 波 形 、多 点 刺 激 活 动 、低 幅 度 去 同
步 以 及 尖 峰 波 和 复 合 波
[ 2 ]
。
癫 痫 脑 电 检 测 的 研 究 始 于 20 世 纪 70 年 代 , 针 对 这 一 问 题 人 们 提 出
了 多 种 方 法 。 早 期 的 脑 电 信 号 处 理 方 法 是 基 于 传 统 的 傅 立 叶 变 换 和 快 速
傅 立 叶 变 换 ( FFT) 的 , 但 F F T 对 噪 声 敏 感
[ 3 ]
。 离 散 小 波 变 换 ( DWT)
具 有 时 频 局 部 化 、 多 速 率 滤 波 和 尺 度 空 间 分 析 等 优 点 , 比 F o u r i e r 变 换
和 快 速 F o u r i e r 变 换 更 为 方 便
[ 3 ]
。此 外 ,离 散 小 波 变 换 适 合 于 非 平 稳 信 号
的 分 析 。 利 用 小 波 变 换 , 每 个 脑 电 信 号 都 会 被 分 解 成 不 同 的 子 带 。 这 些
子 带 可 能 比 整 个 脑 电 图 表 现 出 更 准 确 的 有 关 组 成 神 经 元 活 动 的 信 息
[ 4 ]
。
脑 电 信 号 可 以 用 熵 等 非 线 性 混 沌 方 法 进 行 分 析 。Andrzejak 等 人 用 相
关 维 数( C D )表 征 发 作 间 期 EEG 对 癫 痫 发 作 的 预 测 ,发 现 发 作 间 期 EEG
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4
记 录 计 算 出 的 C D 值 在 致 痫 区 明 显 低 于 其 他 脑 区
[ 5 ] [ 6 ]
。Rosso 等 人 已 经 表
明 , 归 一 化 小 波 熵 携 带 与 多 频 率 信 号 响 应 相 关 联 的 有 序 / 无 序 度 的 信 息 ,
并 且 允 许 在 整 个 归 一 化 小 波 复 杂 度 中 评 估 与 信 号 相 关 联 的 复 杂 度 行 为
[ 7 ] [ 9 ]
。 M i r z a e i 等 人 讨 论 了 小 波 谱 熵 和 谱 熵 在 癫 痫 发 作 检 测 中 的 应 用
[ 1 0 ]
。
Nashash 等 人 讨 论 了 子 带 小 波 能 量 ( S W E ) 在 脑 缺 血 缺 氧 损 伤 及 恢 复 过
程 中 对 记 录 的 E E G 信 号 进 行 分 析 的 应 用
[ 1 1 ]
。 小 波 分 解 每 个 层 次 的 SWE
反 映 了 与 恢 复 现 象 相 关 联 的 峰 值 和 突 发 活 动 的 重 要 程 度 。 基 于 对 不 同 程
度 损 伤 的 熵 变 化 的 观 察 , 归 一 化 平 均 熵 可 用 于 脑 电 恢 复 的 分 割 。 Guo 等
人 利 用 不 同 频 带 的 相 对 小 波 能 量 ( RWE ) 对 脑 电 信 号 进 行 分 析 , 并 用
ANNs 进 行 分 类
[ 1 2 ]
。 Kumar 等 人 讨 论 了 使 用 ANNs 时 小 波 熵 在 癫 痫 发 作
检 测 中 的 应 用
[ 1 3 ]
。
支 持 向 量 机 ( SVM ) 最 早 于 1995 年 被 引 入 脑 电 信 号 分 类 问 题 中 。
Nicolaou 等 人 采 用 在 癫 痫 发 作 间 隔 期 下 降 的 置 换 熵 ( P E ) 作 为 特 征 , 实
现 了 基 于 支 持 向 量 机 的 癫 痫 发 作 自 动 检 测
[ 1 4 ]
。 H s u 等 人 提 出 了 一 种 基 于
非 线 性 特 征 的 SVML 和 SVMRBF 分 类 器 的 脑 电 信 号 自 动 检 测 方 法
[ 1 5 ]
。
Acharya 等 人 从 脑 电 信 号 中 提 取 了 四 个 熵 特 征 , 并 将 其 反 馈 到 七 个 不 同
的 分 类 器 中 , 结 果 表 明 , 该 模 糊 分 类 器 能 够 很 好 地 进 行 区 分
[ 1 6 ]
。 U b e y l i
等 人 将 基 于 模 型 的 方 法 与 最 小 二 乘 支 持 向 量 机 相 结 合 , 对 脑 电 信 号 进 行
分 类 研 究 , 并 将 毛 刺 系 数 作 为 特 征 , 以 达 到 较 高 的 分 类 精 度
[ 1 7 ]
。 Iscan
等 人 提 出 了 结 合 时 频 特 征 的 方 法 并 使 用 包 括 支 持 向 量 机 在 内 的 不 同 分 类
器 来 对 健 康 和 癫 痫 脑 电 信 号 进 行 分 类
[ 1 8 ]
。
近 二 十 年 来 ,人 工 神 经 网 络( ANNs)在 脑 电 信 号 分 类 中 得 到 了 广 泛
的 应 用
[ 1 9 ] [ 2 0 ]
。 文 献 中 报 道 了 多 种 基 于 神 经 网 络 的 癫 痫 发 作 检 测 方 法
[ 2 1 ] [ 2 3 ]
。 Kalayci 等 人 利 用 小 波 变 换 对 脑 电 信 号 进 行 特 征 提 取 , 并 与 神 经
网 络 相 结 合 , 得 到 了 满 意 的 分 类 结 果
[ 2 4 ]
。 N i g a m 等 人 描 述 了 一 种 利 用 多
级 非 线 性 预 处 理 滤 波 器 从 脑 电 信 号 中 自 动 检 测 癫 痫 发 作 的 方 法 , 用 于 提
取 相 对 尖 峰 幅 度 和 尖 峰 发 生 频 率 这 两 个 特 征 。 这 些 特 征 被 输 入 诊 断 人 工
神 经 网 络
[ 2 5 ]
。
本 文 提 出 了 一 种 基 于 离 散 小 波 变 换 将 脑 电 信 号 分 解 成 不 同 子 带 的 方
法 。 从 这 些 子 带 计 算 R W E 和 WEN 值 , 形 成 特 征 向 量 。 用 5 名 健 康 人 和
5 名 癫 痫 患 者 在 发 作 期 和 发 作 间 期 的 临 床 脑 电 图 数 据 对 该 方 法 进 行 了 验
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