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基于变分模态分解-传递熵的脑肌电信号耦合分析
  • ISSN号:1000-3290
  • 期刊名称:《物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:TP311[自动化与计算机技术—计算机软件与理论;自动化与计算机技术—计算机科学与技术]
  • 作者机构:[1]燕山大学电气工程学院 河北省测试计量技术及仪器重点实验室,秦皇岛066004, [2]中国人民解放军北京军区第281医院康复医学科,秦皇岛066100
  • 相关基金:国家自然科学基金(批准号:61271142);河北省自然科学基金(批准号:F2015203372,F2014203246)资助的课题
中文摘要:

皮层肌肉功能耦合是大脑皮层和肌肉组织间的相互作用,脑肌电信号的多尺度耦合特征可以体现皮层-肌肉间多时空的功能联系.本文引入变分模态分解并与传递熵结合,构建变分模态分解-传递熵模型应用于脑肌间耦合研究.首先基于变分模态分解将同步采集的脑电(EEG)和肌电(EMG)信号分别进行时频尺度化,然后计算不同时频尺度间的传递熵值,获取不同耦合方向(EEG→EMG及EMG→EEG)上不同尺度间的非线性耦合特征.结果表明,在静态握力输出条件下,皮层与肌肉beta(15—35 Hz)频段间的耦合强度最为显著;EEG→EMG方向上脑电与肌电高gamma(50—72 Hz)频段的耦合强度总体上高于EMG→EEG方向.研究结果揭示皮层-肌肉功能耦合具有双向性,且脑肌间不同耦合方向上、不同频段间的耦合强度有所差异.因此可利用变分模态分解-传递熵方法定量刻画大脑皮层与肌肉各时频段之间的非线性同步特征及功能联系.

英文摘要:

The functional corticomuscular coupling(FCMC) is defined as the interaction,coherence and time synchronism between cerebral cortex and muscle tissue,which could be revealed by the synchronization analyses of electroencephalogram(EEG) and electromyogram(EMG) firing in a target muscle.The FCMC analysis is an effective method to describe the information transfer and interaction in neuromuscular pathways.Forthermore,the multiscaled coherence analyses of EEG and EMG signals recorded simultaneously could describe the multiple spatial and temporal functional connection characteristics of FCMC,which could be helpful for understanding the multiple spatial and temporal coupling mechanism of neuromuscular system.In this paper,based on the adaptively decomposing signal into frequency band characteristis of variational mode decomposition(VMD) and the quantitatively detecting the directed exchange of information between two systems of transfer entropy(TE),a new method—variational mode decomposition-transfer entropy(VMD-TE) is proposed.The VMD-TE method could quantitatively analyze the nonlinear functional connection characteristic on multiple time-frequency scales between EEG over brain scalp and surface EMG signals from flexor digitorum surerficialis,which are recorded simultaneously during grip task with steady-state force output.In this paper,application of VMD-TE method consists of two steps.Firstly,the EEG and EMG signals are adaptively decomposed into multi intrinsic mode functions based on variational mode decomposition method,respectively,to describe the information on different time-frequency scales.Then the transfer entropies between the different timefrequency scales of EEG and EMG are calculated to describe the nonlinear corticomuscular coupling characteristic in different pathways(EEG→EMG and EMG→EEG),to show the functional coupling strength(namely VMD-TE values).finally,the maximum VMD-TE values between the different time-frequency scales of EEG and EMG signals among the eigh

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期刊信息
  • 《物理学报》
  • 北大核心期刊(2011版)
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国物理学会 中国科学院物理研究所
  • 主编:欧阳钟灿
  • 地址:北京603信箱(中国科学院物理研究所)
  • 邮编:100190
  • 邮箱:apsoffice@iphy.ac.cn
  • 电话:010-82649026
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-3290
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1958/O4
  • 邮发代号:2-425
  • 获奖情况:
  • 1999年首届国家期刊奖,2000年中科院优秀期刊特等奖,2001年科技期刊最高方阵队双高期刊居中国期刊第12位
  • 国内外数据库收录:
  • 美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:49876