多刺激率稳态平均去卷积方法关键参数对瞬态反应重建的影响.pdf
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1、2023 年 8 月 25 日第 7 卷 第 16 期现代信息科技Modern Information TechnologyAug.2023 Vol.7 No.1684842023.082023.08收稿日期:2023-02-28基金项目:国家自然科学基金(81974154);广东省自然科学基金(2023A1515011843)多刺激率稳态平均去卷积方法关键参数对瞬态反应重建的影响卢智勇1,詹长安2,王涛3(1.广东省电子职业技术学校,广东 广州 510515;2.南方医科大学 生物医学工程学院,广东 广州 510515;3.深圳技术大学 大数据与互联网学院,广东 深圳 518118)摘 要:
2、多刺激率稳态平均去卷积是一种新型重建瞬态反应成分去卷积方法。该法从若干稳态诱发反应的组合中实现去卷积计算,其抗干扰性能和刺激方案中关键参数的设置密切相关。为优化参数设置,文章基于 85 Hz 调幅刺激稳态反应,选择拼接个数和刺激率抖动范围两个参数,研究它们对重建计算的性能影响。结果表明,两参数与重建性能有正向相关性,但需以测试时间和名义刺激率模糊为代价。文章通过每种组合模式的重建误差估计随平均叠加次数的变化趋势,直观展示了各组合代价和收益关系,使该方法的参数选取有据可依。关键词:脑电信号;多刺激率稳态平均去卷积方法;稳态反应;瞬态反应中图分类号:R318;TP39 文献标识码:A 文章编号:2
3、096-4706(2023)16-0084-05Effects of Key Parameters of MSAD Method on Reconstruction of Transient ResponsesLU Zhiyong1,ZHAN Changan2,WANG Tao3(1.Guangdong Vocational College of Electronic Technology,Guangzhou 510515,China;2.School of Biomedical Engineering,Southern Medical University,Guangzhou 510515,
4、China;3.College of Big Data and Internet,Shenzhen Technology University,Shenzhen 518118,China)Abstract:Multi-rate Steady-state Averaging Deconvolution(MSAD)is a newly developed deconvolution method for reconstruction of transient responses.This method achieves deconvolution calculation from the comb
5、ination of several Steady-State Responses(SSRs),and its anti-interference performance is closely related to the setting of key parameters in the stimulus scheme.In order to optimize parameter settings,two parameters,the Splicing Number(SN)and Stimulus-Rate-Jitter(SRJ),are selected based on 85 Hz amp
6、litude-modulated SSRs to study their effects on the performance of reconstruction calculation.The results show that SN and SRJ are positively correlated with reconstruction performance,but at the cost of the experimental time-consumption and ambiguity of the nominal stimulation rate.The relationship
7、 between the cost and benefit of different cases is exhibited intuitively through the variation trend of the reconstruction-errors with respect to the average times,which provides guidance for the parameter-setting in the MSAD method.Keywords:EEG;MSAD;SSR;transient response0 引 言听觉诱发电位(auditory evoke
8、d potential,AEP)是听力学电反应测听的常规手段1,2。AEP 含瞬态和稳态反应(auditory steady state response,ASSR)1,3。瞬态反应有 ASSR 缺乏的丰富形态时间信息;ASSR更易引出且便于自动检测。基于线性叠加原理,ASSR 是刺激和瞬态反应的卷积,可用去卷积技术提取其瞬态反应4,实现 ASSR 和瞬态反应同步获DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.16.019取,为临床和基础研究提供更有效的检测手段5,6。去卷积技术的关键是刺激方案。一般采用刺激序列内抖动:刺激序列中相邻瞬时刺激单元的时间间隔不等7,8,但有两个缺
9、点:这种伪周期刺激序列诱发的是伪 ASSR;不适于连续声刺激。为此,我们提出了多刺激率稳态平均去卷积方法(multi-rate steady-state averaging deconvolution,MSAD)9,10,通过把刺激抖动设计到不同刺激序列中(刺激序列间抖动)克服上述缺点11,12,提取的瞬态反应合成的 ASSR 更接近记录 ASSR12。MSAD 需拼接多个不同刺激率 ASSR 形成多频ASSR 构建线性变换矩阵。多个刺激率 ASSR 拼接现代信息科技8月下16期.indd 84现代信息科技8月下16期.indd 842023/8/15 17:38:142023/8/15 17
10、:38:1485852023.082023.08第 16 期为一个组合,含两个参数:拼接ASSR个数(splicing number,SN);组合中刺激率的变化区间,即刺激率抖动(stimulus-rate-jitter,SRJ)。这些刺激率的平均值为组合的名义刺激率。目前 SN 和 SRJ 设置仅基于经验9-12:SN 越多,线性变换方程组个数增加;SRJ 越大,方程相关性减少;都能使解更稳定。但 SN 大会增加记录时间;SRJ 大使名义刺激率模糊。本文针对 85 Hz 调幅 ASSR,研究 SN 和 SRJ 对去卷积性能的影响,以指导刺激方案的设计。1 材料和方法1.1 MSAD 原理线性
11、叠加理论认为 ASSR y(t)是刺激序列 s(t)中瞬时刺激诱发的瞬态反应 x(t)的线性叠加,可用线性矩阵表示为 Y=Hx,其中,Y=y1 y2ynT,h由 s(t)构成9,13,流程如图 1 所示。是 生成刺激率 fi 的刺激声设定刺激率 fi:i=1,2,n生成刺激序列 si记录受试者的诱发反应 依 si 生成刺激矩阵hi叠加平均得稳态反应 yii n?i=i+1否拼接多频稳态反应Y构建线性变换矩阵H计算瞬态反应x图 1 MSAD 重建瞬态反应流程图1.2 实验设计刺激声:载频 2.5 kHz 纯音,正弦调制,调制频率(即刺激率)70 100 Hz,步进 5 Hz;调制深度 100%;
12、刺激声用插入式耳机,声强 79.1 dB SPL;采集 17 位健康成人(7 女,22.351.46 岁)头皮脑电(EEG);NeuroScanSynAmps2采集系统,105放大增益,20 kHz 采样率,30 1 000 Hz 带通滤波;电极:记录,前额正中发际处;参考,右耳乳突,地,眉心,电极阻抗低于 5 k;受试者放松坐在靠背椅上;实验重复 2 次,每次各刺激率的刺激声不少于 4 500 个刺激单元(调幅音中一周期为一刺激单元),各受试者各刺激率刺激声播放顺序随机。1.3 数据分析数据分析用 MATLAB。EEG 先按刺激单元起始时刻及周期分段。各刺激率 EEG 最终不少于 8 100
13、段。8 100 段先按 3 周期叠加平均以判断信号质量;再叠加平均为单周期进一步提高信噪比。最后把不同刺激率单周期 ASSR 拼接,依图 1 求瞬态反应。名义刺激率85 Hz的多频ASSR组合如表1所示。序号 1 3 的 SN 一致,SRJ:10 30 Hz,用于分析 SRJ 的影响;序号 2 和 4 以及 3 和 5,SRJ 相同,SN 不同,用于分析 SN;序号 1、4、5 的 SN 和SRJ 皆不同,用于分析两个参数综合效果。表 1 85 Hz 多频 ASSR 组合模式序号组合所含 ASSR 刺激率/HzSN/个SRJ/Hz180,85,90310275,85,95320370,85,1
14、00330475,80,85,90,95520570,75,80,85,90,95,100730因真实瞬态反应未知,把最高叠加平均次数重建的瞬态反应作为最接近真实解的基准瞬态反应xs=xs1 xs2 xsmT,将其与不同平均次数得到的瞬态反应 xi=xi1 xi2 ximT进行比较。两瞬态反应的误差应随平均叠加次数的提高而减少,遵守指数衰减规律,用分贝(dB)表示:(1)用此误差随平均叠加次数增加的变化曲线判断参数影响。2 结果和分析2.1 记录 ASSR 和基准瞬态反应图 2(a)显示了 14 位受试者不少于 2 700 段叠加平均而得到的 70 100 Hz 头皮 ASSR 波形。有 3位
15、受试者信号质量太差被舍去。各 ASSR 波峰波谷显著且稳定,峰峰幅度在 0.5 V 左右,说明信号可靠。这些三周期 ASSR 再分别叠加平均得到单周期ASSR,参照图 1,利用 MSAD 方法分别计算出表 1中各组合模式下的瞬态反应。把所有组合的瞬态反应再叠加平均作为基准瞬态反应,如图 2(b)所示,其幅度约为稳态反应的一半,在 40 ms 内出现了 3对波峰波谷。以此瞬态反应为模板,线性叠加形成85 Hz 合成 ASSR(蓝色曲线)并和记录 ASSR(红色曲线)比较,如图 2(c)所示,两者基本吻合,相关系数为 0.9857(Pearson,p0.000 1),说明瞬态反应真实可信。卢智勇,
16、等:多刺激率稳态平均去卷积方法关键参数对瞬态反应重建的影响现代信息科技8月下16期.indd 85现代信息科技8月下16期.indd 852023/8/15 17:38:142023/8/15 17:38:148686第 16 期现代信息科技2023.082023.08010203040时间/ms 70 Hz75 Hz80 Hz85 Hz90 Hz95 Hz100 Hz0.5 V(a)记录 ASSR0102030405060时间/ms-0.10-0.05 0 0.05 0.10 幅度/V(b)基准瞬态反应幅度/V010203040 时间/ms-0.2-0.1 00.1 0.2 合成ASSR记录
17、ASSR(c)合成和记录 ASSR图 2 记录 ASSRs、基准瞬态反应及其合成 ASSR2.2 参数对 MSAD 性能影响表 1 中序号 2 和 4 具有相同的 SRJ:20 Hz,SN 分别为 3 和 5 个。序号 3 和 5 具有相同的 SRJ:30 Hz,SN 分别为 3 和 7 个。基于这两组研究 SN对 MSAD 计算性能的影响。分别基于 300 个 ASSR周期到 8 100 个周期(步进 300 个周期)EEG 的叠加平均得到的单周期 ASSR,计算上述 4 个序号的瞬态反应,和基准瞬态反应做对比,根据式(1)计算他们的误差分贝数(dB)。序号 2、4 的误差曲线如图 3(a)
18、所示(黑色为序号 2 组合,品红为序号 4)。两个组合的误差都随平均叠加次数的增加而降低;在平均次数低于 6 500 左右时,两者的误差曲线几乎重合,高于 6 500 次后,序号 2 组合(SN=3)的误差趋于饱和,序号 4 组合(SN=5)的误差仍有改善。序号 3、5 误差曲线如图 3(b)所示(蓝色为序号 3,青色为序号 5)。各组合的误差也随平均叠加次数的增加而降低;序号 3 在6 500 次时趋于饱和,序号 5 在 4 500 次左右趋于饱和;序号 3 组合(SN=3)误差一直低于序号 5 组合(SN=7)。说明 SN 为 5 时最好。03 0006 0009 000 平均次数-10-
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