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作 者 : 葉耀中 49927045 李信宏 49927038 何柏霖 49927043 何鴻鑫 49927049 指導老師 : 侯春茹. 腦波訊號之簡介 睡眠腦波訊號之簡介 睡眠腦波訊號測量的方法 睡眠腦波訊號處理的目的 睡眠腦波訊號處理的流程 睡眠腦波訊號處理的方法與結果 結論 心得. 腦電波圖是記錄頭殼上某兩點的電位差,人在清醒、壓力大、昏

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作 者 : 葉耀中 49927045 李信宏 49927038

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Presentation Transcript


49927045 49927038

作 者 : 葉耀中 49927045

李信宏 49927038

何柏霖 49927043

何鴻鑫 49927049

指導老師 :侯春茹


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  • 腦波訊號之簡介

  • 睡眠腦波訊號之簡介

  • 睡眠腦波訊號測量的方法

  • 睡眠腦波訊號處理的目的

  • 睡眠腦波訊號處理的流程

  • 睡眠腦波訊號處理的方法與結果

  • 結論

  • 心得


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  • 腦電波圖是記錄頭殼上某兩點的電位差,人在清醒、壓力大、昏

    迷等不同狀況時,腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化。

  • 腦電圖各主要成分的產生可歸納為以下幾點:①慢活動是皮層內

    許多錐體細胞同時產生的突觸后電位的總和;②α節律可能是由非

    特異性丘腦核的興奮性和抑制性突觸后電位變化所產生;③快活動

    是 由網狀結構而來的沖動使丘腦非特異性核的節律性放電消除,

    并使皮層電位成為去同步化而產生。


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人類的大腦裡,有許多神經細胞日復一日不斷活動;細胞活動會發出

電磁波,如果用科學儀器偵測腦的電位活動,在螢幕上看起來就像海浪

波動一樣,所以我們叫它「腦波」。簡單地說,腦波和大腦的意識有某

種程度上的對應關係,就像是腦細胞活動的節奏。

大腦皮質的各功能區。其中,額葉主要與推理、計畫、某些語言、運

動、情緒等有關;頂葉與觸覺、壓力、溫度及疼痛相關;顳葉和知覺、

聽覺刺激辨識及記憶相關;枕葉與視覺有關。


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1929年,柏格首次在人類的頭蓋骨上記錄到相同的電波活動,他記錄、

測量了人腦中微小的放電過程,這是人類史上第一次發表腦波記錄,命

名為「腦電波圖」(electroencephalogram,簡稱EEG、腦電圖)。

腦波就是大腦中「電氣性的變動」,上方的貼片就是偵測腦波的點。


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  • α波:頻率8~13Hz,波幅10~100μV。

    大腦各區均有,但以枕部最明顯。α節律是成人和較大兒童清醒閉目時主要的正常腦電活動,小兒的α波及節律隨年齡增長而逐漸明顯。

  • β波:頻率14~30Hz,波幅約5~30μV 。

    以額、顳和中央區較明顯。在精神活動,情緒興奮時增多。約有6%的正常人即使在精神安定和閉目時所記錄的腦電圖仍以β節律為主,稱之為β型腦電圖。

  • θ波:頻率4~7Hz,波幅20~40μV。

  • δ波:頻率0.5~3Hz,波幅10~20μV。常在額部出現。

    θ波和δ波統稱慢波,常見于正常嬰兒至兒童期,以及成人的睡眠期。慢活動增多或出現局灶性慢波有一定的定位診斷價值。


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腦波波形分類

腦電波的特性:

強度:100uV以下,通常只會到幾10uV

頻率:大部分都在0.1Hz~40Hz範圍


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腦波波形圖


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你猜!哪件事讓我們每天花8個小時,每週花56個小時,每月花224個小時,每年花2,688個小時,來從事這項活動。

沒錯!正是睡眠!顯然我們一生中有三分之一的時間無所事事。但是睡眠真的就是無所事事嗎?

它看起來像是闔上眼、肌肉放鬆、呼吸規律、對聲音或是光線缺乏反應。如果你留意觀察腦中正在發生的事,那真是出人意料!腦部其實非常活躍的。


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睡眠過程大致分為:清醒期Stage W、非快速動眼期Stage NREM(Stage1~Stage4)和快速動眼期Stage REM等睡眠階段。其中睡眠第一期和睡眠第二期稱為快波睡眠(fast wave sleep,FWS)或是淺度睡眠(light sleep);而睡眠第三期和睡眠第四期稱為慢波睡眠(slow wave sleep,SWS)或是深度睡眠(deep sleep)。正常成人非快速動眼期的慢波睡眠大多發生在前三分之一夜,快速動眼期睡眠則在後三分之一夜占較多的比例。

  • 清醒期(Stage W):低幅、雜頻,心情放鬆(大腦休息)和閉眼時會出現明顯連續的α波。

  • 睡眠第一期(Stage 1):低幅、雜頻且時有θ波出現,偶爾會出現頭蓋頂銳波(Vertex Sharp Waves),但並不會有K複合波(K Complexes)或紡綞波(Spindle Waves)的出現。


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  • 睡眠第二期(Stage 2):低幅、雜頻且常有θ波出現,K複合波和紡綞波有時會出現,並且有可能出現頭蓋頂銳波(睡眠階段一也會出現)。

  • 睡眠第三期(Stage 3):高幅、低頻的δ波占一時間區段的20%~50%。且偶爾會出現紡綞波。

  • 睡眠第四期(Stage 4):高幅、低頻的δ波占一時間區段的50%。且偶爾會出現紡綞波。

  • 快速動眼期(Stage REM):低幅、雜頻且偶爾會出現頭蓋頂銳波,與睡眠階段一類似,但常出現鋸齒波(Sawtooth Waves)。


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睡眠過程階段


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當我們入睡的時候,我們的腦有點像是「摩天輪」,經歷不同的睡眠階段。當我們漸漸睡去,首先我們進入睡眠的第一階段。在幾分鐘之後,腦波圖的型態轉換至睡眠的第二階段、第三階段、第四階段。然後再倒推回來第三階段、第二階段,然後是快速動眼睡眠,再倒推一次,反覆循環4~5次,於是便看見下面的圖。如下圖所示,在8小時的睡眠過程中,腦部經歷這些循環4~6次。


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表面電極

前置放大電路

X 50

隔離電路

帶通濾波電路

1 ~ 20 Hz

腦波圖

增益放大電路

X 1000

  • 前置放大器採用儀錶放大器,用於將腦波圖的向量訊號萃取出為單級訊號,其放大率為50,並採用JFET型的運算放大器來提高電擊和電路間的阻抗匹配。

  • 隔離電路,用以將訊號和電源做隔離,並保護受測者,可採用光學式或者變壓器式。

  • 帶通濾波器的頻寬設為1~20Hz,再將通過濾波器的微弱訊號加以放大1000倍,便可直接於示波器顯示出腦波訊號。


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腦波訊號為一種組合各種頻率的方式呈現的時間序列函數,若是要在

時間頻域上直接觀察,往往會遺失掉許多重要的訊息,所以做傅立葉轉

換將時域的序列信號轉換至頻域中,以便觀察每個頻率下的訊號能量變

化,將腦波訊號以時間為單位,作傅利葉轉換分析,再作頻譜分析,即

得到腦波在每一頻率上的分佈情形。

睡眠腦波量測位置有6個極點,

分別為F3、F4、C3、C4、P3及P4。

我們量測的極點為:C4

國際化10-20法之極點的位置


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在此針對Fp1-F7與A1的EEG取樣做分析,其電壓的放大增益

5x105~106,頻寬則介於0.48Hz~40Hz之間,根據此量測到的EEG-RAW -

DATA,以清醒和初期睡眠簡單區分成2種各別來分析與模擬,並根據下

列方式將這些離散數據做傅立業轉換與能量分析:指定一實際的訊號數

列為,而為經過傅利葉轉換後的結果,假設我們的取樣數目為N(N為

偶數),我們定義此N筆數值的能量密度Pm為:

,m=0,1,…,N-1……(1)

其中 …………(2)

透過此轉換方式即可得到頻率分佈與能量大小。

雜訊濾除:

-腦波雜訊來源

  • 生理反應:眨眼、呼吸、心跳等生理反應。

  • 腦波量測裝備:電極片是否適當黏貼。

  • 環境:60Hz交流電干擾訊號。


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記錄腦波時,常會得到非來自大腦本身的波形,而這些波會干擾到正

常腦波的判讀,故稱為干擾波。一般而言,干擾波可分為三大類:


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FIR:M點移動平均濾波器

IIR:Butterworth、Chebyshev I、Chebyshev II、Elliptic

同步平均濾波器

原始訊號

去基線飄移

加窗(漢明窗、漢寧窗、三角窗、矩形窗、布雷克曼窗)

快速傅立葉轉換

相位頻譜

強度頻譜

非參數方法:

Periodogram

Welch

功率頻譜密度

參數方法:

Yile-walker AR法


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  • 原始訊號


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  • 加雜訊


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  • 去基線飄移


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  • 快速傅利葉轉換 FFT


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  • 加窗


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  • 加窗


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  • 加窗


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  • 加窗


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  • 加窗+FFT


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  • 加窗+FFT


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  • 加窗+FFT


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  • 加窗+FFT


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  • M點平均濾波器


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  • M點平均濾波器


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  • M點平均濾波器


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  • 濾波後加窗


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  • 濾波後加窗


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  • 濾波後加窗


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  • 濾波後加窗(M=20)


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  • 濾波後加窗(M=100)


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  • 濾波後加窗+FFT


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  • 濾波後加窗+FFT


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  • 濾波後加窗+FFT


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  • 濾波後加窗+FFT(M=20)


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  • 濾波後加窗+FFT(M=100)


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  • IIR濾波器


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  • IIR濾波器


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  • IIR濾波器


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  • 巴特沃斯


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  • 柴比雪夫I型


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  • 柴比雪夫II型


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  • 橢圓


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  • 波德圖


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巴特沃斯

  • 波德圖

柴比雪夫I型

柴比雪夫II型

橢圓


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  • 巴特沃斯+窗+FFT


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  • 巴特沃斯+窗


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  • 柴比雪夫I型+窗


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  • 柴比雪夫II型+窗


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  • 橢圓+窗


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  • 巴特沃斯+窗+FFT


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  • 柴比雪夫I型+窗+FFT


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  • 柴比雪夫II型+窗+FFT


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  • 橢圓+窗+FFT


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  • 找出EEG訊號


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  • 找出EEG訊號


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  • 同步平均


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  • 同步平均


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  • 同步平均


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  • M點移動平均濾波


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  • M點移動平均濾波


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  • 功率頻譜密度


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  • 功率頻譜密度


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  • 功率頻譜估計週期圖


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矩形窗

漢明窗

漢寧窗

  • 功率頻譜估計週期圖(nfft=256)

三角窗

布雷克曼窗


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矩形窗

漢明窗

漢寧窗

  • 功率頻譜估計週期圖(nfft=512)

三角窗

布雷克曼窗


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矩形窗

漢明窗

漢寧窗

  • 功率頻譜估計週期圖(nfft=1024)

三角窗

布雷克曼窗


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  • Welch方法(週期圖平均)


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矩形窗

漢明窗

漢寧窗

  • Welch方法(週期圖平均)50%

三角窗

布雷克曼窗


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矩形窗

漢明窗

漢寧窗

  • Welch方法(週期圖平均)70%

三角窗

布雷克曼窗


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  • Yule-Walker AR 方法 自相關函數


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  • Yule-Walker AR 方法 自相關函數


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  • Yule-Walker AR 方法 自相關函數


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FIR:M點移動平均濾波器

IIR:Butterworth、Chebyshev I、Chebyshev II、Elliptic

同步平均濾波器

原始訊號

去基線飄移

結論-訊號處理流程

加窗(漢明窗、漢寧窗、三角窗、矩形窗、布雷克曼窗)

快速傅立葉轉換

相位頻譜

強度頻譜

非參數方法:

Periodogram

Welch

功率頻譜密度

參數方法:

Yile-walker AR法


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