趙添羽 李靖宇 戴航 郝利國(guó) 劉雅楠

摘 ? 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提升，醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的相關(guān)問(wèn)題也漸漸引起了人們的重視。在對(duì)醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理的領(lǐng)域，信號(hào)往往會(huì)受到不同種類因素的干擾，這種情況無(wú)法避免，但如果不能夠合理的對(duì)其進(jìn)行消除，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)醫(yī)學(xué)具體工作產(chǎn)生影響，例如，通道間可能會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_、心電、腦電、工頻干擾等。由于這些具體的噪聲以及干擾來(lái)自于具備獨(dú)立性的生理源、噪聲源，所以只有從原始信號(hào)采集中對(duì)有用的信息進(jìn)行獲取，才可以更好的解決問(wèn)題。獨(dú)立分量分析是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將其應(yīng)用于雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中具備必要性，據(jù)此，本文對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，希望能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)有所裨益。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立分量 ?生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 ?雨課堂

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0215-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，信息技術(shù)水平的提升，獨(dú)立分量分析在國(guó)內(nèi)也開始得到了一定程度上的應(yīng)用，但相比較于國(guó)外我國(guó)在獨(dú)立分量分析技術(shù)水平方面還較為遜色，同時(shí)發(fā)展時(shí)間也不長(zhǎng)，作為一種創(chuàng)新式的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，想要真正對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用就必須要先進(jìn)行細(xì)致的分析。獨(dú)立分量分析的目的在于對(duì)非高斯分布數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的表示，使其各個(gè)分量能夠在統(tǒng)計(jì)學(xué)中進(jìn)行獨(dú)立，即便不能完全獨(dú)立，也需要盡可能保證其獨(dú)立。據(jù)此，本文分析了獨(dú)立分量分析在基于雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中的應(yīng)用問(wèn)題，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?獨(dú)立分量分析的基本原理

獨(dú)立分量分析是一種信號(hào)處理方法，以信號(hào)高階統(tǒng)計(jì)量為基礎(chǔ)，其具體的含義主要就是將多道不同的觀測(cè)信號(hào)根據(jù)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的原則通過(guò)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，之后分解成相關(guān)的獨(dú)立成分，前提也就是各源信號(hào)為彼此統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的非高斯信號(hào)。相比較于主分量分析，獨(dú)立分量分析不僅能對(duì)信號(hào)的去相關(guān)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要求各高階統(tǒng)計(jì)量獨(dú)立。

目前對(duì)獨(dú)立分量分析的研究較少，同時(shí)具體的內(nèi)容也不夠嚴(yán)謹(jǐn)，在僅有的研究成果中，獨(dú)立分量分析中對(duì)獨(dú)立性的判決主要包括兩個(gè)方面，無(wú)論是基于信息量的判決準(zhǔn)則還是基于估計(jì)理論的判決準(zhǔn)則都需要包括在其中。對(duì)于基于估計(jì)理論的判決準(zhǔn)則而言，其主要涉及最大似然估計(jì)理論，此外還包括非高斯性最大化度量的理論，而基于信息量的判決準(zhǔn)責(zé)包括最小互信息以及信息最大化信息理論。

2 ?雨課堂的概念

從雨課堂的具體概念來(lái)看，其是一種教學(xué)工具，由清華大學(xué)與學(xué)堂在線共同設(shè)計(jì)、研究、推出，由于其具備創(chuàng)新性與可行性，所以如今在世界范圍內(nèi)有很多的國(guó)家和學(xué)者、學(xué)生都對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)，雨課堂具有較強(qiáng)的可行性，同時(shí)適合開展生物醫(yī)學(xué)教學(xué)，但是從目前的檢索情況來(lái)看，很少有學(xué)者分析雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的相關(guān)問(wèn)題，更不要說(shuō)將獨(dú)立分量分析應(yīng)用到雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理當(dāng)中，因此，在極度缺乏直接相關(guān)參考資料的困難情況下，本文分析了相關(guān)問(wèn)題，希望能為相關(guān)人士提供參考。

3 ?獨(dú)立分量分析在基于雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中的應(yīng)用

基于雨課堂，在生物醫(yī)學(xué)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程中往往會(huì)涉及腦電的相關(guān)問(wèn)題，正如前文所說(shuō)，在對(duì)醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理的領(lǐng)域，信號(hào)往往會(huì)受到不同種類因素的干擾，這種情況無(wú)法避免，但如果不能夠合理地對(duì)其進(jìn)行消除，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)醫(yī)學(xué)具體工作產(chǎn)生影響，例如，通道間可能會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_、心電、腦電、工頻干擾等。從腦電的角度來(lái)看，其噪聲與干擾來(lái)自于具備獨(dú)立性的大腦生理源，所以只有從原始信號(hào)采集中對(duì)有用的信息進(jìn)行獲取，才可以更好的解決問(wèn)題。除此之外腦電也是大腦神經(jīng)元突觸后電位的綜合結(jié)果，通過(guò)頭皮電機(jī)對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集可以看作是獨(dú)立信源與大腦區(qū)域固定位置的共同作用結(jié)果。經(jīng)現(xiàn)代腦科學(xué)研究表明，對(duì)于多導(dǎo)腦電信號(hào)來(lái)說(shuō)，其存在著很多的生理現(xiàn)象以及心理現(xiàn)象，同時(shí)可以對(duì)多種不同的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行反映，對(duì)腦電中預(yù)案信號(hào)的分離與識(shí)別等處理措施是雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中的難點(diǎn)。

由于分布在頭皮的電極距離較近，同時(shí)對(duì)于各個(gè)電極輸出信號(hào)來(lái)說(shuō)，其也存在著相關(guān)性，因此對(duì)于單導(dǎo)腦電信號(hào)而言，不僅能夠?qū)Υ竽X活動(dòng)進(jìn)行有效反映，同時(shí)還含有不同種類的干擾信號(hào)。這些干擾在實(shí)際情況中會(huì)造成假象，不利于腦電分析，只有從原始采集的腦電中獲取有用信號(hào)，才可以對(duì)大腦的狀態(tài)進(jìn)行翻譯，這也需要應(yīng)用到獨(dú)立分量分析技術(shù)。

在雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理過(guò)程中，多道腦電信號(hào)的分析問(wèn)題也具備較大的難度，因?yàn)槟X電信號(hào)本身就較為復(fù)雜，同時(shí)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，另外不同的干擾信號(hào)也會(huì)對(duì)腦電分析的處理難度進(jìn)行提升，所以在對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)必須要合理地進(jìn)行消噪。在不同的腦電消噪技術(shù)方法中，雖然可以對(duì)噪聲進(jìn)行消除，但可能也會(huì)損失有用的信號(hào)成分，這些方式包括即時(shí)頻率波方法等，立足于濾波原理層面，其只能夠在較為有限的范圍內(nèi)對(duì)信噪比進(jìn)行改善，同時(shí)傳統(tǒng)的方法也不適合對(duì)多道信號(hào)進(jìn)行處理，所以無(wú)法對(duì)存在于導(dǎo)聯(lián)腦電之間的互信息進(jìn)行合理利用，但是應(yīng)用獨(dú)立分量分析方式則可以為多道腦電信號(hào)處理提供創(chuàng)新式的手段。

在雨課堂生物醫(yī)學(xué)研究腦電信號(hào)時(shí)，很多學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程都不夠合理，因?yàn)樗麄儫o(wú)法較好地從被干擾因素污染的電腦信號(hào)中提取出有效的信號(hào)，對(duì)于工頻干擾以及腦電信號(hào)來(lái)說(shuō)，二者從不同的相互獨(dú)立源而產(chǎn)生，所以可以使用獨(dú)立分量分析的方式對(duì)其進(jìn)行分離，在對(duì)其閥值進(jìn)行具體的處理后，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，在重構(gòu)信號(hào)的過(guò)程中，由于其偽跡能夠被抑制，因此能夠直接利用獨(dú)立分量分析將工頻分離為獨(dú)立的分量。這種直接分離的方式具備可行性，適合在雨課堂生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理中應(yīng)用。

在一般的情況下，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行采集的系統(tǒng)并不會(huì)對(duì)采集工頻信號(hào)進(jìn)行同步。而如果能夠?qū)ゎl的頻率進(jìn)行確定，就可以對(duì)工頻信號(hào)進(jìn)行人為的構(gòu)建，本研究對(duì)兩個(gè)正交的頻率為工頻的正弦信號(hào)進(jìn)行了構(gòu)建，目的在于對(duì)60Hz I頻干擾源進(jìn)行代替：P1=sin（120 n t）與P2=cos（120n t），之后將其與腦電信號(hào)一起構(gòu)成多路信號(hào)。在構(gòu)成多路信號(hào)之后，主要采用擴(kuò)展ICA算法對(duì)其進(jìn)行分離操作，并將分離出的工頻干擾置零，最后對(duì)原信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，這種方式重構(gòu)的信號(hào)可以對(duì)工頻干擾進(jìn)行抑制。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，獨(dú)立分量分析的目的在于對(duì)非高斯分布數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的表示，使其各個(gè)分量能夠在統(tǒng)計(jì)學(xué)中進(jìn)行獨(dú)立，即便不能完全獨(dú)立，也需要盡可能的保證其獨(dú)立。對(duì)于各個(gè)電極輸出信號(hào)來(lái)說(shuō)，其也存在著相關(guān)性，因此對(duì)于單導(dǎo)腦電信號(hào)而言，不僅能夠?qū)Υ竽X活動(dòng)進(jìn)行有效反映，同時(shí)還含有不同種類的干擾信號(hào)。這些干擾在實(shí)際情況中會(huì)造成假象，不利于腦電分析，所以可以使用獨(dú)立分量分析的方式對(duì)其進(jìn)行分離，在對(duì)其閡值進(jìn)行具體的處理后，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，在重構(gòu)信號(hào)的過(guò)程中，由于其偽跡能夠被抑制，因此能夠直接利用獨(dú)立分量分析將工頻分離為獨(dú)立的分量。

參考文獻(xiàn)

[1] 張玉梅，喬媛媛，吳玉龍，等.基于虛擬仿真平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂在醫(yī)學(xué)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2019，37（5）：90-91.

[2] 王金冬，吳曉燕，王紅艷，等.翻轉(zhuǎn)課堂在留學(xué)生醫(yī)學(xué)微生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2018（2）：16-17.

[3] 孫世妍.基于獨(dú)立分量分析的松動(dòng)部件信噪分離算法研究[A].中國(guó)核學(xué)會(huì).中國(guó)核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第四卷）——中國(guó)核學(xué)會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第3冊(cè)（核能動(dòng)力分卷（下））[C].中國(guó)核學(xué)會(huì)：中國(guó)核學(xué)會(huì)，2015：31-38.