2013年--生物醫(yī)學(xué)工程 外文翻譯---基于重采樣空間濾波器方法提取失匹配負(fù)波（譯文）

1、<p><b>　　中文13300字</b></p><p>　　出處：Lin Y, Wu W, Wu C, et al. Extraction of mismatch negativity using a resampling-based spatial filtering method[J]. Journal of neural engineering, 2013, 10(2)

2、: 026015.</p><p>　　基于重采樣空間濾波器方法提取失匹配負(fù)波</p><p>　　Extraction of mismatch negativity using a</p><p>　　resampling-based spatial filtering method</p><p>　　學(xué) 部（院）： 電信學(xué)

3、部 </p><p>　　專 業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師：

4、 </p><p>　　完 成 日 期： </p><p>　　基于重采樣空間濾波器方法提取失匹配負(fù)波</p><p>　　Yanfei Lin1, WeiWu1,2, ChaohuaWu1, Baolin Liu3 </p><p>　　and Xiaorong Gao1</p>&

5、lt;p>　?。? 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院，北京 100084，中國(guó)</p><p>　　2 華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641，中國(guó)</p><p>　　3 天津大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072，中國(guó)）</p><p>　　目的：對(duì)于失匹配負(fù)波（MMN）的提取，目前所存在的困難是如何利用較少的EEG單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)提取MMN波形。</

6、p><p>　　方法：本文提出了一種結(jié)合重采樣技術(shù)與空間濾波技術(shù)的新的波形處理方法。具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)方法的第一步為重采樣求差,隨機(jī)采樣標(biāo)準(zhǔn)波形和偏差波形，再由偏差波形減去標(biāo)準(zhǔn)波形求兩者之差；第二步為利用信噪比最大化（SIM）空間濾波器提取MMN成分。SIM算法可以通過(guò)最大化ERP的信噪比來(lái)改善MMN的提取效果。通過(guò)數(shù)據(jù)仿真來(lái)評(píng)估該方法的參數(shù)（包括三個(gè)參數(shù)：?jiǎn)我粚?shí)驗(yàn)次數(shù)，重復(fù)SIM次數(shù)，采樣時(shí)間點(diǎn)）對(duì)處理結(jié)果的影響。&l

7、t;/p><p>　　結(jié)果：結(jié)果表明利用此種方法提取MMN是可行且可靠的。利用經(jīng)典oddball實(shí)驗(yàn)范式，選用不同頻率的聽(tīng)覺(jué)刺激，11名成年受試者，記錄較少單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)的EEG數(shù)據(jù)（偏差刺激50次，標(biāo)準(zhǔn)刺激250次）。結(jié)果表明該方法可從每位受試者的EEG數(shù)據(jù)中有效提取出MMN。</p><p>　　意義：偏差幅度大的刺激與偏差幅度小的刺激相比，前者提取出的MMN有明顯較大的波峰幅值和較短潛伏期

8、，這與以前文獻(xiàn)中采用大量EEG數(shù)據(jù)與多位受試者提取的MMN的性質(zhì)相符。</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　失匹配負(fù)波（MMN）是聽(tīng)覺(jué)事件相關(guān)電位的一種，由經(jīng)典oddball實(shí)驗(yàn)范式中的偏差刺激誘發(fā)產(chǎn)生。負(fù)波出現(xiàn)在刺激出現(xiàn)后90-300ms，幅值最大10(Näätänen et al 1978, 2004,

9、Näätänen and Winkler4 Authors contributed equally to this paper.1999).MMN的主要產(chǎn)生源在額顳皮質(zhì)區(qū)，它可以從包括頻率，強(qiáng)度，時(shí)長(zhǎng)，位置和其他聽(tīng)覺(jué)特征在內(nèi)的任何聲音刺激變化中提取出來(lái)(Pakarinen et al 2007)。MMN已經(jīng)廣泛應(yīng)用于昏迷(Fischer et al 1999),、精神分裂(Michie 2001)、認(rèn)知損傷

10、(Näätänen et al 2011, 2012)等臨床研究中。</p><p>　　更進(jìn)一步，頻率MMN作為頻率識(shí)別的重要主觀指標(biāo)已經(jīng)被用于評(píng)估頻率識(shí)別能力，這有利于選拔音樂(lè)人才(Tervaniemi 2001)，評(píng)估耳蝸植入者的復(fù)原能力(Zhang et al 2011)并診斷誦讀困難病癥(Baldeweg et al 1999)。前期研究已經(jīng)揭露了MMN的性質(zhì)，即偏差刺激與

11、標(biāo)準(zhǔn)刺激的差異越大，所提取的MMN具有更明顯的波峰幅值與更早的潛伏期(Sams et al 1985, Novitski et al 2004, Pakarinen et al 2007, Kalyakin et al 2008, 2009)。這些性質(zhì)已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)判不同MMN提取方法的MMN提取結(jié)果。</p><p>　　用于提取MMN波形的算法有很多種。差異波（DW）是一種傳統(tǒng)方法，利用這種方法可通過(guò)平均偏

12、差刺激波形減去平均標(biāo)準(zhǔn)刺激波形來(lái)獲得MMN。Pihko et al (1995)使用這種方法通過(guò)改變聽(tīng)覺(jué)刺激的時(shí)長(zhǎng)提取出了MMN，一共記錄了11分鐘的EEG數(shù)據(jù),其中包括3種類型的偏差刺激。結(jié)果表明只有FZ電極的偏差刺激響應(yīng)符合MMN的波峰和潛伏期性質(zhì)。DW方法要求更長(zhǎng)的記錄時(shí)間，并且其對(duì)于不同類型的偏差刺激所表現(xiàn)的MMN性質(zhì)并不清晰。因?yàn)镸MN位于低頻帶，最優(yōu)數(shù)字濾波器（ODF）采用2-8.5Hz的低頻帶來(lái)提取MMN(Kalyakin

13、 et al 2007)。因?yàn)镻3a的頻帶接近MMN，所以O(shè)DF方法不能將MMN成分與P3a成分分離。最近，獨(dú)立成分分析（ICA）方法已經(jīng)被用于提取MMN。Kalyakin et al (2008, 2009)和Cong et al (2010, 2011a, 2011b)用ICASSO方法從偏差刺激響應(yīng)中提取出了ERP波形，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)長(zhǎng)的偏差刺激聽(tīng)覺(jué)響應(yīng)的幅值和潛伏期符合MMN的性質(zhì)。ICASSO是一種可視化分等級(jí)的聚類方法，這

14、種方法通過(guò)重復(fù)多次實(shí)現(xiàn)ICA來(lái)計(jì)</p><p>　　因此，如何從短時(shí)記錄或較少實(shí)驗(yàn)次數(shù)的EEG數(shù)據(jù)中提取MMN仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。既然MMN的oddball范式中的偏差刺激是低頻刺激，所以偏差刺激的實(shí)驗(yàn)數(shù)目會(huì)相當(dāng)小。這使得偏差刺激的EEG數(shù)據(jù)信噪比低并最終影響MMN波形的提取。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)增大EEG數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來(lái)解決，但必然會(huì)導(dǎo)致每位受試者的實(shí)驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)。例如，能夠得出預(yù)期MMN波形的ICASSO方法記錄了2

15、0分鐘的EEG數(shù)據(jù)，每種偏差刺激會(huì)有約300次實(shí)驗(yàn)(Kalyakin et al 2008, 2009, Cong et al 2010)。此外，在前期研究中通常通過(guò)將幾位受試者的EEG數(shù)據(jù)合并計(jì)算整體平均來(lái)增加偏差刺激的實(shí)驗(yàn)次數(shù)(Kalyakin et al 2008, Cong et al 2010, Näätänen andWinkler 1999, 2004, Sams et al 1985, No

16、vitski et al 2004, Pakarinen et al 2007)。然而，在昏迷、精神分裂、中風(fēng)和認(rèn)知損傷(Fischer et al 1999, Michie et al 2000, N¨a¨at¨anen et</p><p>　　為從少量單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)EEG數(shù)據(jù)中有效提取MMN，可用空間濾波方法來(lái)提高數(shù)據(jù)的信噪比。Iyer and Zouridakis (2007)

17、提出了迭代獨(dú)立成分分析方法（iICA）來(lái)分析N100成分，這種方法明顯優(yōu)于平均方法。此外，Yang et al (2008)提出再現(xiàn)分級(jí)并平均ICA算法（RAICAR）通過(guò)重復(fù)ICA實(shí)現(xiàn)和矩陣基礎(chǔ)隊(duì)列來(lái)提高成分評(píng)價(jià)。與ICASSO方法相比，RAICAR需要較低的CPU存儲(chǔ)能力和較少的計(jì)算時(shí)間，并能產(chǎn)生更精確的估計(jì)值。因?yàn)橐陨衔墨I(xiàn)中所用的的ICA算法并不是專為提取ERP而設(shè)計(jì)的，所以其計(jì)算結(jié)果不是非常理想。Jarchi et al (20

18、11) and Li et al (2009)提出了專為ERP而設(shè)計(jì)的時(shí)空濾波，但難點(diǎn)在于如何確定算法必需的合適的ERP模板。Lemm et al (2006)利用ICA的監(jiān)督變量設(shè)計(jì)了正則化的二階鑒別（SOBI）算法使鎖相ERP的提取效果增強(qiáng)。然而，這種算法需要計(jì)算多次才能確定最優(yōu)正則化度，增大了計(jì)算消耗。此外，正則化以試探法為基礎(chǔ)，因此此法并不能保證能獲得ERP源的最高信噪比。Wu and Gao(2011)設(shè)計(jì)了一</p&g

19、t;<p>　　因?yàn)镸MN是由兩種事件提取出的DW，已存在的大部分空間濾波器算法不能直接被運(yùn)用。在前面的研究中，兩種事件的ERP通過(guò)空間濾波器被分別提取再以對(duì)應(yīng)的方式進(jìn)行比較。Cong et al (2011c)空間濾波之后做減法不能有效去除偽跡。此外，兩種ERP的單獨(dú)提取會(huì)增加計(jì)算負(fù)擔(dān)。在rdSIM方法中，首先進(jìn)行單一實(shí)驗(yàn)偏差刺激波形與單一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)刺激波形的減法。然后用SIM方法直接從差異波中提取MMN。這種方法可抑制偏

20、差刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激的共同響應(yīng)并使差異成分突出。</p><p>　　我們所采取的另一個(gè)技巧是利用非參數(shù)重采樣(Efron1979, Dupret and Koda 2001)來(lái)改善ＭＭＮ的提取。非參數(shù)采樣通過(guò)多次采樣觀察數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估初始分配。這已經(jīng)運(yùn)用到ERP學(xué)習(xí) (Oruc et al 2011, Philiastides et al 2006, Philiastides and Sajda 2006,Rousse

21、let et al 2008, Vizioli et al 2010)和非平穩(wěn)數(shù)據(jù)分類中 (Dupret and Koda 2001)。由于偏差刺激波形的實(shí)驗(yàn)數(shù)目實(shí)際上比標(biāo)準(zhǔn)刺激少，這就出現(xiàn)了如何結(jié)合SIM充分利用不平衡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提取MMN的問(wèn)題。在非參數(shù)重采樣方面，我們提出了重采樣求差方法來(lái)進(jìn)一步改善MMN提取，從所有可能的標(biāo)準(zhǔn)刺激波與偏差刺激波對(duì)中隨機(jī)采樣少數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)刺激波與偏差刺激波對(duì)，然后由偏差刺激波形減去標(biāo)準(zhǔn)刺激波形得到差異波

22、波形。最后，由于重采樣方法可能會(huì)對(duì)所獲得的MMN波形的幅度穩(wěn)定性有影響，使用RAICAR方法(Yang et al 2008)多次重復(fù)SIM可用來(lái)提高M(jìn)MN波形的波幅穩(wěn)定性。這種方法能夠根據(jù)再現(xiàn)性指數(shù)排列ERP</p><p>　　為評(píng)估rdSIM的效果，我們利用rdSIM對(duì)仿真EEG數(shù)據(jù)和實(shí)際EEG數(shù)據(jù)分別來(lái)提取頻率MMN。首先，如部分3所述，對(duì)通過(guò)概率生長(zhǎng)模型獲得仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行rdSIM算法計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中分

23、析三個(gè)參數(shù)（即單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)，SIM重復(fù)次數(shù)和采樣時(shí)間點(diǎn)）對(duì)MMN提取效果的影響。然后分別使用DW，RAICAR和rdSIM三種方法來(lái)從仿真數(shù)據(jù)中提取MMN，再對(duì)三種MMN進(jìn)行峰幅值和潛伏期精確評(píng)估。然后，如部分4和部分5所述，進(jìn)行不同頻率聲音刺激的oddball實(shí)驗(yàn)范式并記錄11位受試者實(shí)驗(yàn)EEG數(shù)據(jù)（偏差刺激50次實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)刺激250次實(shí)驗(yàn)）。再應(yīng)用DW，RAICAR和rdSIM三種方法對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)提取MMN并估計(jì)峰幅值和潛伏期。結(jié)

24、果表明rdSIM方法可以利用單一受試者的少量EEG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（偏差刺激50次實(shí)驗(yàn)）有效提取MMN，并且比RAICAR和DW提取效果更好。</p><p><b>　　2.rdSIM</b></p><p>　　SIM算法對(duì)鎖時(shí)鎖相的ERP信號(hào)進(jìn)行時(shí)空模式的具體評(píng)估。Wu和Gao設(shè)計(jì)出了最優(yōu)化ERP成分空間模型A和加工時(shí)序S的快速迭代算法。將這種算法運(yùn)用于概率性生長(zhǎng)模型（

25、3.1節(jié)模型（1）），在達(dá)到收斂之前交替估算A和S最終獲得參數(shù){A,S}的最大可能估計(jì)值，計(jì)算所得成分，以信噪比遞減的順序排列。</p><p>　　rdSIM方法整合重采樣求差和SIM方法，主要包括四部分：重采樣求差，SIM重復(fù)，ERP成分相關(guān)分析，MMN成分反向投影后的平均。rdSIM方法的圖解如圖1所示，詳細(xì)信息如下：</p><p>　　圖1 rdSIM方法流程圖</p>

26、;<p>　　第一步，從偏差刺激（D）L次實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)刺激（S）次實(shí)驗(yàn)各自挑選組成實(shí)驗(yàn)對(duì)。實(shí)驗(yàn)對(duì)中，D實(shí)驗(yàn)減去S實(shí)驗(yàn)得到關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)差異波（D-S）。此過(guò)程重復(fù)J次，因此得到次實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　第二步，利用SIM算法分析JD-S次實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得M個(gè)ERP成分的估計(jì)值，本次研究中，少數(shù)ERP成分會(huì)由于無(wú)意識(shí)動(dòng)作或噪聲可能被包括進(jìn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們?cè)O(shè)M為6來(lái)確保重要ERP成分不會(huì)被遺失。為證實(shí)M的

27、最佳選擇，我們改變M的值進(jìn)行更多次的數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明,SIM算法對(duì)4以上M值不敏感（3.4.1節(jié)）。以下6個(gè)ERP成分，，，，，以SNR遞減的順序排列。</p><p>　　第三步，重復(fù)K次第1,2步，得到個(gè)成分。</p><p>　　第四步，計(jì)算成分的兩兩相關(guān)相關(guān)系數(shù)，通過(guò)RAICAR方法將這些成分排列并分類(Yang et al 2008)，產(chǎn)生M類，,…,.根據(jù)RAICAR，每個(gè)類

28、別包括K個(gè)成分分別對(duì)應(yīng)K個(gè)SP。求每類K個(gè)SP的均值。視覺(jué)上觀察M個(gè)均值SP，選出一個(gè)MMN類的 SP，其能量應(yīng)主要集中于顳區(qū)。我們指定MMN類為。</p><p>　　第五步，類中的K個(gè)組成投影于預(yù)選電極（例如，Cz電極），指定此電極的K個(gè)mmn為，，…，。根據(jù)Kalyakin et al (2008)，投影過(guò)程通過(guò)增加空間模式sp對(duì)應(yīng)MMN成分c，即執(zhí)行（級(jí)中M個(gè)SP中的每一個(gè)）。每個(gè)電極的MMN波形被獲得作

29、為。</p><p>　　第六步 對(duì)K個(gè)波形求平均獲得最后的MMN波形。</p><p>　　rdSIM方法的直觀示意圖如圖2。假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)成分和偏差成分為兩個(gè)不同的方波。由gamma函數(shù)生成公共不相關(guān)成分，其不與標(biāo)準(zhǔn)和偏差刺激在相關(guān)時(shí)間段上覆蓋。差異波為。, 和如圖2（a）所示。ERP成分與無(wú)意識(shí)動(dòng)作和白噪聲在0dB SNR處混合（3.1節(jié)模型（1））?；旌闲盘?hào)例子如圖2（b），圖中為單一實(shí)

30、驗(yàn)的偏差刺激波（D），和分別為兩次實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)刺激波（S）。下面用實(shí)例闡述利用rdSIM方法提取MMN的過(guò)程。</p><p>　　根據(jù)第一步的重采樣差，獲得差異波如圖2（c），圖中和為兩次實(shí)驗(yàn)的差異波。</p><p>　　通過(guò)第二步SIM方法的空間濾波，獲得6個(gè)ERP成分。如圖2（d）所示，具有最高信噪比且成分具有第二高信噪比。</p><p>　　SIM方法的空

31、間濾波器步驟重復(fù)K次。</p><p>　　通過(guò)RAICAR排列分類，我們認(rèn)為為MMN類別，從類別中隨機(jī)選擇兩個(gè)成分和如圖2（e）所示。</p><p>　　投影類別中的成分至給定通道Ch；兩個(gè)投影波形和如圖2（f）所示。</p><p>　　平均投影波形并提取出MMN如圖2（g）所示，與實(shí)際MMN相似，實(shí)際MMN的獲取便是將的差異波投射到指定通道Ch。</p

32、><p>　　圖2 rdSIM方法直觀示意圖?！瓻xtr MMN’代表提取出的MMN</p><p><b>　　3.仿真</b></p><p><b>　　3.1仿真數(shù)據(jù)</b></p><p>　　根據(jù)傳統(tǒng)oddball實(shí)驗(yàn)范式，通過(guò)包含83%的標(biāo)準(zhǔn)刺激和17%的偏差刺激(Novitski et

33、al 2004, Pakarinen et al 2007)的實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，共獲得兩組m個(gè)通道的EEG數(shù)據(jù)，包括隨機(jī)排列的L個(gè)偏差刺激實(shí)驗(yàn)和5*L個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激（根據(jù)具體研究要求，L的范圍為10-200）。對(duì)于每組EEG數(shù)據(jù)，ERP成分S均包括兩種成分，MMN相關(guān)成分和MMN非相關(guān)成分。標(biāo)準(zhǔn)刺激的平均ERP波形由實(shí)際的MMN的EEG數(shù)據(jù)作為MMN相關(guān)ERP成分獲得，偏差刺激的平均ERP波形同樣由實(shí)際的MMN的EEG數(shù)據(jù)作為MMN相關(guān)ERP成

34、分獲得。MMN非相關(guān)成分由Gamma函數(shù)產(chǎn)生，在兩組仿真EEG數(shù)據(jù)中完全相同。的時(shí)間段與MMN成分的時(shí)間段不重疊。</p><p>　　單次試驗(yàn)的每組EEG數(shù)據(jù)均為S、無(wú)意識(shí)EEG動(dòng)作V和白噪聲N的線性組合，利用前期研究(Lemm et al 2006, Wu and Gao 2011)的混合模型生成數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　， （1）</b></p&

35、gt;<p>　　其中，代表EEG數(shù)據(jù)，EEG數(shù)據(jù)的通道總數(shù)為m=30.偏差刺激為，標(biāo)準(zhǔn)刺激為，ERP成分的混合矩陣隨機(jī)生成且符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。30個(gè)通道的作為無(wú)意識(shí)EEG活動(dòng)的以噪聲的形式隨機(jī)生成。通道中ERP信號(hào)方差和無(wú)意識(shí)EEG動(dòng)作方差之比定義為SNR。無(wú)意識(shí)動(dòng)作混合矩陣的生成方式與A相似。B的每一列通過(guò)Gram-Schmidt過(guò)程歸一化。代表m個(gè)通道的白噪聲。每個(gè)通道的白噪聲方差與無(wú)噪聲信號(hào)（即ERP與無(wú)意識(shí)動(dòng)作之

36、和）方差之比為-10dB。</p><p>　　以上生成復(fù)合EEG數(shù)據(jù)的過(guò)程重復(fù)多次（L或5*L）來(lái)評(píng)價(jià)不同方法的平均效果和穩(wěn)定性。每次重復(fù)在所有實(shí)驗(yàn)中A和B保持不變，偏差刺激減去標(biāo)準(zhǔn)刺激獲得未混合MMN，即，實(shí)際頭皮MMN（以下簡(jiǎn)稱MMN）通過(guò)未混合MMN與混合矩陣A的乘積獲得，即。</p><p>　　3.2 DW和RAICAR</p><p>　　為與rdSI

37、M方法作比較，我們也利用DW和RAICAR的方法提取了MMN。在RAICAR中，首先通過(guò)多次重復(fù)ICA來(lái)提取MMN的潛在成分并計(jì)算各成分之間的聯(lián)系，然后將各成分分類并以再現(xiàn)指數(shù)減小的順序排列。雖然在仿真數(shù)據(jù)中，自發(fā)性活動(dòng)的數(shù)目與導(dǎo)聯(lián)數(shù)目相同，但事實(shí)上，自發(fā)性活動(dòng)的數(shù)目是未知的并且需要根據(jù)腦電數(shù)據(jù)及其提取方法來(lái)估計(jì)。與rdSIM方法不同，RAICAR的成分?jǐn)?shù)目與步驟2的導(dǎo)聯(lián)數(shù)目相同（即30）。在步驟3，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)重復(fù)30次（Yang

38、et al (2008)提供的參數(shù)）快速ICA，其余步驟與rdSIM方法相同。</p><p><b>　　3.3評(píng)估方法</b></p><p>　　對(duì)于仿真數(shù)據(jù)，MMN在90-300ms期間達(dá)到最低負(fù)值，定義MMN潛伏期為MMN期間最低負(fù)值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，因?yàn)槿缜拔乃釋?shí)際MMN波形由得到，所以實(shí)際MMN峰值以及潛伏期可由波形得到。</p><p

39、>　　利用提取MMN與實(shí)際MMN的相關(guān)系數(shù)和兩MMN的峰值和潛伏期的百分比偏差來(lái)評(píng)估3種MMN提取方法。峰值（或潛伏期）百分比偏差定義為，其中為提取MMN的峰值（或潛伏期），為實(shí)際MMN的峰值（或潛伏期）。此外，提取MMN的穩(wěn)定指數(shù)代表方法的穩(wěn)定性。尤其是K個(gè)MMN波形首先來(lái)自于K次快速ICA或SIM。然后，估計(jì)信號(hào)能量作為均值MMN的方差，而每個(gè)MMN波形與平均MMN波形之差的方差為噪聲能量。信號(hào)能量與噪聲能量的比值為穩(wěn)定指數(shù)，

40、最后，將所獲得的MMN的輸出信噪比以dB形式表示。</p><p>　　利用重復(fù)測(cè)量ANOVA和Bonferroni調(diào)整成對(duì)比較的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法比較以上不同方法的效果。詳細(xì)信息見(jiàn)下文。顯著性水平為0.05.</p><p><b>　　3.4 仿真結(jié)果</b></p><p>　　3.4.1 rdSIM方法中3個(gè)參數(shù)的影響。</p>

41、<p>　　rdSIM方法包括3個(gè)參數(shù)：?jiǎn)我粚?shí)驗(yàn)次數(shù)（L），采樣時(shí)間（J）和重復(fù)SIM次數(shù)（K）。三個(gè)參數(shù)對(duì)rdSIM方法效果的影響通過(guò)仿真數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)仿真模型（1），兩組仿真數(shù)據(jù)包括L次偏差刺激的單一實(shí)驗(yàn)和次標(biāo)準(zhǔn)刺激的單一實(shí)驗(yàn)，其信噪比范圍為-10到30dB間隔為10dB。對(duì)于每個(gè)SNR，利用蒙特卡洛模擬運(yùn)行50次，挑選30個(gè)通道仿真數(shù)據(jù)中具有最大絕對(duì)值的數(shù)據(jù)的通道作為反向投影。</p><p>

42、;　　固定單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)，分析采樣時(shí)間和重復(fù)SIM次數(shù)對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響。由于rdSIM的目的是減少EEG數(shù)據(jù)量，單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)為L(zhǎng)=50。重復(fù)SIM次數(shù)（K）選擇5個(gè)不同的值2，5,10,20和30，八個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)（J）分別為：200,400,600,800,1000,2000,3000和4000。信噪比為-30，-20和-10dB時(shí)，不同采樣時(shí)間（J）和不同重復(fù)SIM次數(shù)（K）的相關(guān)系數(shù)均值如圖3。由圖3可以看出，采樣時(shí)間和SIM重復(fù)次

43、數(shù)減小，相關(guān)系數(shù)降低。而增長(zhǎng)采樣時(shí)間，增大SIM采樣次數(shù)，相關(guān)系數(shù)也沒(méi)有顯著增強(qiáng)。為得到更滿意的效果，選擇1000的采樣時(shí)間和10次SIM重復(fù)次數(shù)最佳。以下分析中采樣時(shí)間為1000，SIM重復(fù)次數(shù)為10。</p><p>　　圖3 ，和dB信噪比的相關(guān)系數(shù)。每個(gè)格的灰度表示相關(guān)系數(shù)的均值，右側(cè)為對(duì)應(yīng)灰度條。橫軸代表重復(fù)SIM次數(shù)，縱軸代表采樣時(shí)刻。</p><p>　　選擇采樣時(shí)間為，重復(fù)

44、SIM次數(shù)，我們分析單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)（L）對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響。選擇5個(gè)不同的單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)（L）值如下：10,20,50,100和200。不同單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)（L）下，相關(guān)系數(shù)的均值如圖4(a).重復(fù)測(cè)量ANOVA和成對(duì)比較表明，單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)（L）增加，相關(guān)系數(shù)顯著增加。因此，的相關(guān)系數(shù)基本小于的相關(guān)系數(shù)，并且我們認(rèn)為選擇采集EEG過(guò)于耗時(shí)。以下分析中我們選擇單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)為。</p><p>　　圖4 （a）不同單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)

45、（L）下，提取MMN與實(shí)際MMN相關(guān)系數(shù)的均值。</p><p>　　（b）SIM提取的不同的成分?jǐn)?shù)目下，提取MMN與實(shí)際MMN相關(guān)系數(shù)的均值。</p><p>　　最后利用仿真數(shù)據(jù)來(lái)分析SIM方法提取出的成分?jǐn)?shù)目對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響。由于SIM提取出的成分?jǐn)?shù)目對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響是輕微的，所以固定單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)，SIM重復(fù)次數(shù)和采樣時(shí)間，在仿真時(shí)只變化SIM提取的成分?jǐn)?shù)目。根據(jù)模型（1），兩組仿真

46、數(shù)據(jù)包括L次偏差刺激的單一實(shí)驗(yàn)和次標(biāo)準(zhǔn)刺激的單一實(shí)驗(yàn)，其信噪比范圍為到dB間隔為dB。對(duì)于每個(gè)SNR，利用蒙特卡洛模擬運(yùn)行50次，挑選30個(gè)通道仿真數(shù)據(jù)中具有最大絕對(duì)值的數(shù)據(jù)的通道作為反向投影。</p><p>　　固定單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)為L(zhǎng)=50,采樣時(shí)間為J=1000，重復(fù)SIM次數(shù)為K=10，分析SIM提取成分?jǐn)?shù)目對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響。成分?jǐn)?shù)目設(shè)置為M=2,4,6,8,10和20，結(jié)果如圖4（b）所示。重復(fù)測(cè)量ANO

47、VA分析顯示SIM提取成分?jǐn)?shù)目對(duì)相關(guān)系數(shù)無(wú)顯著影響。</p><p>　　3.4.2 DW，RAICAR和rdSIM三種方法的比較</p><p>　　根據(jù)仿真模型，包含50次偏差刺激、250次標(biāo)準(zhǔn)刺激的數(shù)據(jù)組信噪比范圍為-10dB到30dB，間隔為10dB。每個(gè)信噪比運(yùn)行50次蒙特卡洛仿真。</p><p>　　通過(guò)DW，RAICAR和rdSIM方法從仿真數(shù)據(jù)中提

48、取出MMN波形。利用提取MMN與實(shí)際MMN的相關(guān)系數(shù)和兩MMN的峰值和潛伏期的百分比偏差來(lái)評(píng)估3種MMN提取方法。對(duì)于RAICAR，快速ICA運(yùn)行30次，成分?jǐn)?shù)目設(shè)為與導(dǎo)聯(lián)數(shù)目相同（Yang et al 2008）。對(duì)于rdSIM，SIM運(yùn)行10次，并在每次重復(fù)運(yùn)行時(shí)提取出6個(gè)成分。RAICAR和rdSIM的采樣時(shí)間均為1000ms。對(duì)于每個(gè)信噪比，3種方法的相關(guān)系數(shù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差，峰值與潛伏期的百分比偏差如表1所示。</p>

49、<p>　　表一 DW，RAICAR和rdSIM方法提取MMN和實(shí)際MMN相關(guān)系數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差以及相應(yīng)峰值和潛伏期的百分比偏差</p><p>　　‘’表示DW不能估計(jì)MMN波形</p><p>　　對(duì)DW，RAICAR和rdSIM三種方法的分析結(jié)果進(jìn)行受試者內(nèi)因素的重復(fù)測(cè)量ANOVA分析發(fā)現(xiàn)了MMN主效應(yīng)。關(guān)于提取MMN和實(shí)際MMN的相關(guān)系數(shù)，DW方法的結(jié)果顯著低于其他兩

50、種方法，RAICAR方法的結(jié)果顯著低于rdSIM方法的結(jié)果。關(guān)于峰值百分比偏差，DW顯著干預(yù)其他兩種方法，但是RAICAR和rdSIM兩者間無(wú)顯著差異。最后，關(guān)于潛伏期的百分比偏差，DW顯著高于其他兩種方法，并且RAICAR顯著高于rdSIM。</p><p>　　此外，為分析RAICAR和rdSIM兩種方法的穩(wěn)定性計(jì)算兩者的穩(wěn)定指數(shù)。穩(wěn)定指數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。利用重復(fù)測(cè)量ANOVA和Bonferroni

51、調(diào)整成對(duì)比較的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法表明rdSIM提取出的MMN穩(wěn)定性指數(shù)顯著高于RAICAR（）。結(jié)果表明，rdSIM比RAICAR更穩(wěn)定。</p><p>　　圖5 RAICAR和rdSIM兩種方法所得MMN的穩(wěn)定性指數(shù)</p><p>　　表2 DW，RAICAR和rdSIM的比較</p><p>　　a‘ ’表示結(jié)果優(yōu)秀度，星越多，該方法效果越好</p>

52、<p>　　b 結(jié)果在2.00GHz雙核Intel Pentium處理器和1 GRAM的計(jì)算機(jī)上計(jì)算得到</p><p>　　綜上，使用rdSIM方法提取MMN更可行且可信。表2總結(jié)了DW，RAICAR和rdSIM的比較結(jié)果。與DW，RAICAR兩種方法相比，rdSIM具有更高的提取MMN和實(shí)際MMN相關(guān)系數(shù)，更低的峰值和潛伏期百分比偏差和更高的穩(wěn)定性。此外，RAICAR花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間計(jì)算，因?yàn)榭焖買C

53、A匯聚要比SIM慢得多。研究表明，對(duì)于包括五層信噪比的數(shù)據(jù)，RAICAR需要大約59760s來(lái)提取MMN，而rdSIM用同樣的電腦處理相似的數(shù)據(jù)只需要131s。因此，rdSIM改進(jìn)了DW和RAICAR。</p><p>　　4.關(guān)于頻率MMN的實(shí)際EEG數(shù)據(jù)分析</p><p><b>　　4.1 受試者</b></p><p>　　本次研究包

54、括具有正常聽(tīng)力的11位大學(xué)生和研究生（5名女性，6名男性；年齡在20到26歲，平均年齡=23.9，標(biāo)準(zhǔn)差=1.8）參與。當(dāng)?shù)卦盒彶橹С直敬螌?shí)驗(yàn)。每位受試者已被提供酬勞且已簽署知情同意書。</p><p>　　4.2偏差刺激的頻率選擇</p><p>　　為確定偏差頻率以提取MMN，通過(guò)精神物理學(xué)測(cè)試確定每位受試者的頻率辨別閾。</p><p>　　結(jié)果，頻率辨別閾

55、值被確定為參考頻率為1000Hz（500Hz）。首次刺激呈現(xiàn)時(shí)，參考頻率與探測(cè)頻率差為100Hz，探測(cè)頻率為1100Hz（400Hz）。當(dāng)參考頻率與探測(cè)頻率的頻率差異大于20Hz時(shí)，探測(cè)頻率步長(zhǎng)為10Hz，當(dāng)頻率差異低于20Hz時(shí)，步長(zhǎng)為2Hz。對(duì)于每位受試者一共測(cè)量了50次逆轉(zhuǎn)。每次逆轉(zhuǎn)呈現(xiàn)參考頻率和探測(cè)頻率兩次并且獲得受試者的兩種響應(yīng)。最后，通過(guò)計(jì)算最后6次逆轉(zhuǎn)探測(cè)頻率的均值獲得參考頻率的頻率閾。</p><p&

56、gt;　　圖6 （a）每位受試者的頻率閾測(cè)量結(jié)果</p><p>　　（b）oddball范式實(shí)驗(yàn)流程</p><p>　　頻率辨別測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，所有受試者的最低辨別頻率高于1000Hz，范圍在1004Hz到1024Hz（均值=1013.5Hz，標(biāo)準(zhǔn)差=6.2Hz）。所有受試者的最高辨別頻率低于500Hz，范圍在470到497Hz（均值=488.7Hz，標(biāo)準(zhǔn)差=7.8Hz）。結(jié)果如圖6（a）

57、所示?？梢钥闯霎?dāng)參考頻率為1000Hz（500Hz）時(shí)所有受試者有能力辨別1030Hz以上（470Hz以下）的探測(cè)頻率。因此，在頻率MMN實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)1000Hz的標(biāo)準(zhǔn)刺激選擇1500Hz和1030Hz的正弦波音作為偏差刺激，對(duì)應(yīng)500Hz的標(biāo)準(zhǔn)刺激選擇200Hz和470Hz的正弦波音作為偏差刺激。1030Hz和470Hz為小偏差刺激，1500Hz和200Hz為大偏差刺激，其偏差幅度大于小偏差刺激偏差幅度的6倍。</p>

58、<p><b>　　4.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)中，利用傳統(tǒng)被動(dòng)oddball實(shí)驗(yàn)范式，通過(guò)83%的標(biāo)準(zhǔn)刺激和17%的偏差刺激提取MMN。有4種不同的實(shí)驗(yàn)條件：（a）具有1000Hz標(biāo)準(zhǔn)刺激和1500Hz的偏差刺激的HFar條件，（b）具有1000Hz標(biāo)準(zhǔn)刺激和1030Hz的偏差刺激的HMean條件，（c）具有50Hz標(biāo)準(zhǔn)刺激和200Hz偏差刺激的LFar

59、條件，和（d）具有50Hz標(biāo)準(zhǔn)刺激和470偏差刺激的Lmean，四種條件實(shí)驗(yàn)的順序隨機(jī)。每個(gè)條件包括50次單一實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)單一實(shí)驗(yàn)中，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激和1個(gè)偏差刺激隨機(jī)呈現(xiàn)，每個(gè)聲音刺激時(shí)長(zhǎng)為50ms，其中包括10ms的升降時(shí)間和30ms的穩(wěn)定時(shí)間，刺激發(fā)生異步性為700ms。過(guò)程如圖6（b）所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求受試者閱讀一篇英文文章并且忽略聽(tīng)覺(jué)刺激。</p><p>　　在消聲室中利用Neuroscan Synam

60、ps系統(tǒng)，以1000Hz的采樣頻率記錄EEG數(shù)據(jù)。根據(jù)擴(kuò)展性國(guó)際10-20系統(tǒng)，采用64Ag/AgCl導(dǎo)聯(lián)置于頭皮。鼻尖導(dǎo)聯(lián)用于參考電極。通過(guò)置于每只眼外部眼角的導(dǎo)聯(lián)記錄水平眼電圖，通過(guò)置于左眼上下的兩個(gè)導(dǎo)聯(lián)記錄垂直眼電圖。阻抗小于或等于.</p><p>　　4.4 利用DW，RAICAR和rdSIM進(jìn)行數(shù)據(jù)分析</p><p>　　首先利用0.5-30Hz的帶通濾波器濾波。然后降低采樣

61、率至200Hz，提取-100ms至600ms的數(shù)據(jù)段并利用100ms的刺激前窗口進(jìn)行基線校正。利用DW，RAICAR和rdSIM方法對(duì)每位受試者的數(shù)據(jù)提取MMN。對(duì)于DW，根據(jù)Jungh¨ofer et al (2000)，手動(dòng)去除偽跡。首先，如果EEG或EOG活動(dòng)超過(guò)100μV認(rèn)為單一通道的數(shù)據(jù)段受污染。第二，利用參考整體平均探測(cè)整體偽跡。第三，偽跡污染數(shù)據(jù)段通過(guò)球面樣條插值算法利用所有有效數(shù)據(jù)段加權(quán)值進(jìn)行插值，詳細(xì)描述見(jiàn)球

62、形調(diào)整方法。第四，為比較信號(hào)質(zhì)量以進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，在所有實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算。對(duì)于RAICAR和rdSIM方法，所有單一實(shí)驗(yàn)保留。對(duì)于RAICAR，快速ICA運(yùn)行30次（詳細(xì)見(jiàn)Yang et al 2008），每次運(yùn)行成分?jǐn)?shù)目與導(dǎo)聯(lián)數(shù)目相同（即60，排除4通道EOG數(shù)據(jù)）。對(duì)于rdSIM，SIM運(yùn)行10次且每次提取6個(gè)成分（見(jiàn)3.4.1節(jié)）。RAICAR和rdSIM的采樣時(shí)間均為1000ms。</p><p&

63、gt;　　對(duì)于實(shí)際EEG數(shù)據(jù)，MMN峰值出現(xiàn)于刺激后90-300ms(Näätänen et al2004,Novitski et al 2004)。這里的MMN峰值于這段時(shí)間MMN達(dá)到最大負(fù)值時(shí)測(cè)量，且潛伏期對(duì)應(yīng)MMN達(dá)到最大負(fù)值時(shí)的刺激后時(shí)間點(diǎn)。</p><p>　　5.實(shí)際EEG數(shù)據(jù)處理結(jié)果</p><p>　　5.1對(duì)單一受試者利用rdSIM方法提取M

64、MN</p><p>　　我們首先介紹對(duì)單一受試者提取出的MMN。在Hfar，HMean，Lfar和Lmean四種條件下，用rdSIM方法對(duì)某位受試者的EEG數(shù)據(jù)提取MMN，選擇Cz導(dǎo)聯(lián)為反向投射通道。結(jié)果如圖7所示。</p><p>　　圖7 HFar，Hmean，LFar和LMean條件下提取的單一受試者的MMN，’SP’代表MMN對(duì)應(yīng)空間模型的均值。</p><p

65、>　　頂部?jī)煞鶊D展示了Lfar和Lmean兩種條件下的MMN提取結(jié)果，底部?jī)煞鶊D展示了Hfar和Hmean兩種條件下的MMN提取結(jié)果。虛線表示SIM方法提取出的K個(gè)MMN波形，實(shí)線表示MMN均值。四種條件下每條通道所選MMN成分的SP示于圖的底部右側(cè)，其能量主要集中于暫時(shí)的區(qū)域。很明顯LHar（HFar）條件下的MMN與LMean（HMean）條件下的MMN相比，具有更高的峰值和更短的潛伏期，這些結(jié)果與前期研究的MMN性質(zhì)一致，即

66、表明rdSIM方法可以利用較少的EEG數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估計(jì)MMN。</p><p>　　5.2所有受試者提取出的MMN</p><p>　　利用DW，RAICAR和rdSIM方法分析每位受試者的EEG數(shù)據(jù)并提取MMN，選擇Cz導(dǎo)聯(lián)為反向投射通道。利用rdSIM提取出MMN的潛伏期與峰值如表3所示。從表中看出，除受試者7其余所有受試者提取出的MMN的潛伏期和峰值符合MMN性質(zhì)。</p>

67、<p>　　表3 rdSIM方法提取的每位受試者的MMN的潛伏期和峰值</p><p>　　圖8 DW，RAICAR和rdSIM方法獲得的所有受試者的Cz電極的MMN的潛伏期（a）和峰值（b）的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。</p><p>　　DW,RAICAR和rdSIM方法提取的所有受試者的MMN潛伏期的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8（a）所示。對(duì)三種方法所提取MMN的潛伏期進(jìn)行受試者內(nèi)因素重復(fù)測(cè)量

68、ANOVA分析，主效應(yīng)顯著(F(2, 80)=3.140, p=0.049<0.05)。通過(guò)Bonferroni調(diào)整的成對(duì)比較,表明DW方法提取MMN的潛伏期明顯低于rdSIM (p = 0.045 < 0.05),其余兩種方法相比無(wú)明顯差異(p > 0.05)。</p><p>　　對(duì)于每種方法，分別對(duì)4種條件下所提取出的MMN的潛伏期進(jìn)行受試者內(nèi)因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析，然后通過(guò)Bonfe

69、rroni調(diào)整比較不同條件下的潛伏期。對(duì)于DW，不同條件下的潛伏期無(wú)明顯差異(F(3,30)=1.092, p=0.368>0.05)。而對(duì)于RAICAR和rdSIM，不同條件下的潛伏期具有明顯差異(RAICAR: F(3, 30)=15.465, p=0.000<0.001; rdSIM: F(3,30) = 52.246, p = 0.000 < 0.001)。Lfar條件下的潛伏期顯著短于Lmean條件(RAIC

70、AR: p = 0.003 < 0.01; rdSIM: p = 0.000 <0.001)，Hfar條件下的潛伏期顯著短于Hmean條件(RAICAR: p =0.016 < 0.05; rdSIM: p = 0.000 < 0.001)。</p><p>　　DW,RAICAR和rdSIM方法提取的所有受試者的MMN峰值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8（b）所示。對(duì)三種方法所提取MMN的峰值進(jìn)行受

71、試者內(nèi)因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析，主效應(yīng)顯著(F(2, 80) = 41.423, p =0.000 < 0.001)。通過(guò)Bonferroni調(diào)整的成對(duì)比較表明DW方法提取MMN的峰值明顯高于其余兩種方法(p = 0.000 < 0.001),RAICAR和rdSIM兩種方法相比無(wú)明顯差異(p = 0.188 > 0.05)。</p><p>　　對(duì)于每種方法，分別對(duì)4種條件下所提取出的MMN

72、的峰值進(jìn)行受試者內(nèi)因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析，然后通過(guò)Bonferroni調(diào)整比較不同條件下的峰值。對(duì)于DW和RAICAR，不同條件下的峰值無(wú)明顯差異(DW:F(3, 30)=2.616, p=0.069>0.05; RAICAR:F(3, 30) = 0.727, p = 0.544 > 0.05)。而對(duì)于rdSIM，不同條件下的峰值具有顯著異(F(3, 30) = 9.999, p = 0.003< 0.01)。L

73、far條件下的峰值顯著高于Lmean條件(p= 0.006 < 0.01)，Hfar條件下的峰顯著高于Hmean條件(p = 0.006< 0.01)。</p><p>　　選擇Fz，F(xiàn)cz，Cz，Cpz和Pz導(dǎo)聯(lián)作為反向投影導(dǎo)聯(lián)。因?yàn)閞dSIM方法下不同電極的MMN的通過(guò)反向投影相同的MMN成分獲得的，他們的潛伏期是相同的，所以只分析峰值。所有受試者5個(gè)電極MMN峰值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8（c）所示。

74、對(duì)每個(gè)電極進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)條件下的受試者內(nèi)因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析發(fā)現(xiàn)，每個(gè)電極不同實(shí)驗(yàn)條件下峰值均存在顯著差異(Fz: F(3, 30) = 7.786, p =0.009 < 0.01; Fcz: F(3, 30) =9.381, p = 0.004 < 0.01; Cz:F(3, 30) = 9.999, p = 0.003 < 0.01; Cpz: F(3, 30) = 8.170,p = 0.000 <

75、0.001; Pz: F(3, 30) = 5.706, p = 0.003 <0.01)。通過(guò)Bonferrobi調(diào)整比較不同實(shí)驗(yàn)條件下的峰值，結(jié)果表明，在導(dǎo)聯(lián)Fz，F(xiàn)cz，Cz和Cpz處，LFar條件下的峰值顯著低于LMean條件(Fz: p = 0.017 < 0.05; Fcz:p = 0.011 < 0.05; Cz: p = 0.006 <</p><p>　　圖9 （a）30

76、次ICA每次60個(gè)成分中RDV小于15%的成分所占百分比。（b）ICA提取的MMN成分的RDV均值（c）SIM提取的MMN的RDV均值</p><p>　　此外，檢查剩余變量（RDV）來(lái)評(píng)估RAICAR的ICA方法和rdSIM的SIM方法提取的MMN成分的穩(wěn)定性(Delorme et al 2012)。使用EEGLAB工具箱(version11.0.2.1b)的DIPFIT2.2插件計(jì)算RDV (Delorme

77、andMakeig 2004)。對(duì)于RAICAR，計(jì)算30次ICA運(yùn)行的60個(gè)成分的RDV。圖9（a）表示每位受試者30次ICA，每次60個(gè)成分即1800個(gè)成分中，RDV不大于15%的成分所占百分比。所有受試者的百分比范圍為34.66%到38.96%。圖9（b）和圖9（c）分別表示RAICAR在30次ICA和rdSIM在10次SIM提取出的MMN成分的均值RDV。從圖中看出，ICA中MMN成分RDV大于15%情況高于SIM。因此，rdS

78、IM的MMN成分提取比RAICAR更可靠。ICA提取的MMN重要成分的RDV小于15%?？傊?dāng)EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少時(shí)，可以使用ICA提取MMN,但SIM方法更好。</p><p>　　綜上，使用較少的EEG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，DW不能提取清晰的MMN波形，更不能精確評(píng)估峰值和潛伏期，RAICAR能較好的估計(jì)潛伏期但不能估計(jì)峰值，rdSIM方法提取的MMN的峰值和潛伏期與MMN性質(zhì)一致。因此，我們可以得出結(jié)論，在具有較少EE

79、G單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)的實(shí)驗(yàn)范式中，3種方法中rdSIM的MMN提取效果最好。</p><p><b>　　6.討論</b></p><p>　　6.1與其他研究的比較</p><p>　　ODF (Kalyakin et al 2007)和ICASSO (Kalyakin et al 2008, 2009, Cong et al 2010, 2011

80、a, 2011b)方法分析偏差ERP而不是MMN，然而rdSIM和DW直接獲得MMN波形，此外，由于ICASSO和RAICAR中的FastICA的低收斂率，rdSIM與另兩種方法相比需要更短的時(shí)間來(lái)提取MMN。而且，Kalyakin et al(2008, 2009)利用數(shù)字濾波器和ICASSO兩種方法提取MMN，結(jié)果表明后者效果更好。Yang et al (2008)分析RAICAR和ICASSO兩種方法發(fā)現(xiàn)前者優(yōu)于后者。基于這些結(jié)論

81、，我們可以得出RAICAR優(yōu)于數(shù)字濾波器的結(jié)論。由于此原因和空間限制，本文未用數(shù)字濾波器方法提取MMN。</p><p>　　本文通過(guò)穩(wěn)定指數(shù)比較RAICAR和rdSIM兩種方法的穩(wěn)定性 ，結(jié)果表明rdSIM明顯比RAICAR穩(wěn)定。另外RDV結(jié)果表明，rdSIM提取出的MMN比RAICAR更可靠。根據(jù)的Delorme et al (2012)報(bào)告結(jié)果其他更先進(jìn)的ICA方法（e.g.AMICA）比我們?cè)赗AICAR

82、用的FastICA有更進(jìn)一步的提高空間。此外本論文結(jié)果以頻率MMN實(shí)驗(yàn)范式為基礎(chǔ)，且具有較少的EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)。為進(jìn)一步闡述其有效性還需要用RAICAR和rdSIM方法處理其他實(shí)驗(yàn)范式（例：時(shí)長(zhǎng)MMN）的MMN數(shù)據(jù)。</p><p>　　Näätänen et al (2004)曾提出減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間的最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)范式，其刺激序列由標(biāo)準(zhǔn)刺激和不同的偏差刺激組成，與傳統(tǒng)oddball實(shí)驗(yàn)范式相

83、比，實(shí)驗(yàn)范式中的偏差刺激的單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)不變，標(biāo)準(zhǔn)刺激的單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)更少，需要更少的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。用DW和ICASSO提取這種實(shí)驗(yàn)范式下的MMN，其中偏差刺激實(shí)驗(yàn)次數(shù)需要大約300次(Kalyakin et al2008, 2009, Cong et al 2010)。rdSIM能用較少的偏差刺激實(shí)驗(yàn)次數(shù)提取更好的MMN波形。因此如果本次研究中采用Näätänen et al (2004)提出的最優(yōu)化oddbal

84、l實(shí)驗(yàn)范式，可以預(yù)測(cè)所需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間會(huì)進(jìn)一步減少。</p><p>　　前期研究中，MMN的提取需要計(jì)算許多受試者EEG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體均值。Pontifex et al (2010)和Olvet and Hajcak (2009)通過(guò)含68-79位受試者，6-8次單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)的EEG數(shù)據(jù)獲得ERP波形的整體均值。Oruc et al (2011)估計(jì)單一受試者的3個(gè)不同的ERP：N170臉部選擇波，誤差相關(guān)負(fù)波和

85、P3波。然而由于其ERP波形通過(guò)DW的方法獲得，每位受試者均需要更多單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)的EEG數(shù)據(jù)（每種實(shí)驗(yàn)條件至少141次單一實(shí)驗(yàn)）。與前期研究不同，本次實(shí)驗(yàn)提取每位受試者的MMN，只需少量的單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)（偏差刺激50次）。這主要是因?yàn)楸疚牟捎昧俗顑?yōu)化空間濾波器算法SIM最大化了ERP成分的信噪比。</p><p>　　最后，選擇最類似MMN的SP。MMN的SP的主要特征為前額皮質(zhì)的EEG能量高于其他區(qū)域。在大多數(shù)情

86、況下，MMN成分分布于SIM提取的頂部4個(gè)成分中。因此，這種方法不要求大量的用戶專業(yè)知識(shí)。</p><p>　　6.2基于SIM的其他兩種方法</p><p>　　我們的實(shí)驗(yàn)使用了兩種基于SIM的算法提取MMN波。第一種方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和偏差刺激波形分別用SIM濾波提取ERP成分，然后使偏差刺激成分減去標(biāo)準(zhǔn)刺激成分獲得MMN波形。由于偏差刺激試驗(yàn)次數(shù)少，此種方法提取的偏差刺激ERP波形并不清晰

87、。此外，在這種方法中，做減法之前需要兩次手動(dòng)選擇ERP成分，這會(huì)帶來(lái)繁瑣的運(yùn)算。在第二種方法中，所有數(shù)據(jù)對(duì)包括首先獲得的50次偏差刺激實(shí)驗(yàn)和250次標(biāo)準(zhǔn)刺激實(shí)驗(yàn)，則接下來(lái)的單一實(shí)驗(yàn)偏差刺激波形與單一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)刺激波形的減法將會(huì)獲得50x250=12500個(gè)不同的差波波形。最后，用SIM對(duì)這些差波濾波提取出MMN成分。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明第二種方法具有與rdSIM更相似的效果但需要更多的CPU運(yùn)算。</p><p>&

88、lt;b>　　6.3 前景展望</b></p><p>　　用較少EEG記錄數(shù)據(jù)便可提取MMN的rdSIM方法可以作為評(píng)價(jià)受試者頻率辨別閾的客觀方法。前期研究使用大量受試者的整體均值獲得頻率MMN (Novitski et al 2004,Pakarinen et al 2007, Näätänen et al 2004)。Sam et al (1985)測(cè)量了6位

89、受試者的MMN波形，并確定了多位受試者的頻率辨別閾值，但未確定單一受試者的頻率辨別閾值。Zhang et al (2011)通過(guò)2000Hz的偏差刺激和1000Hz的標(biāo)準(zhǔn)刺激分析單一受試者的頻率MMN，但仍然沒(méi)有通過(guò)提取MMN波形測(cè)試出單一受試者的最小辨別頻率。</p><p>　　單一受試者的頻率辨別閾的客觀評(píng)估要求測(cè)量不同頻率聽(tīng)覺(jué)刺激的MMN。本次研究的rdSIM方法只需單一受試者的少量實(shí)驗(yàn)次數(shù)，減少了EEG

90、記錄時(shí)間。因此rdSIM具有評(píng)估單一受試者頻率辨別閾的潛在可能。</p><p>　　偏差刺激與標(biāo)準(zhǔn)刺激的差異越小，MMN的峰值越小且MMN的提取越困難。Sam et al (1985)發(fā)現(xiàn)整體平均MMN可以提取最小頻率偏差為8Hz的MMN。然而并不是所有的受試者能夠辨別8Hz的頻率偏差，本次實(shí)驗(yàn)中，我們要確定所有受試者可以區(qū)別偏差刺激，因此所選擇的頻率偏差為30Hz，而問(wèn)題是在最小頻率偏差條件下我們是否還能夠從

91、單一受試者的少量EEG數(shù)據(jù)中提取出MMN。</p><p>　　rdSIM方法還可用于提取其他ERP成分的差異波，例：P300 (Polich 2007)，或比較兩種實(shí)驗(yàn)條件下的波形，例：Go/Nogo實(shí)驗(yàn)范式下的ERP (Todd et al 2008)，或Stroop范式(Hanslmayr et al 2008)。雖然，本次研究中此種方法用于分析不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，但這種方法同樣可以分析穩(wěn)定數(shù)據(jù)。本次研究的目的在于

92、設(shè)計(jì)出一種僅用較少EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)便可提取出MMN波形的信號(hào)加工算法。前期研究中，利用DW，ODF，ICASSO和其他方法提取MMN。結(jié)果不是由于EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)少以致提取效果不理想就是需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)記錄更大數(shù)量的EEG實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些缺點(diǎn)限制了MMN的臨床應(yīng)用。rdSIM僅用少量EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)便可提取MMN波形的優(yōu)點(diǎn)解決了這一問(wèn)題。</p><p>　　首先，本次研究結(jié)合SIM和無(wú)參數(shù)重采樣技術(shù)設(shè)計(jì)出了僅用較少EE

93、G實(shí)驗(yàn)次數(shù)便可提取MMN波形的算法?？紤]到適應(yīng)和習(xí)慣在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的混淆作用，相對(duì)少的EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)在此領(lǐng)域同樣有效。SIM用于估計(jì)鎖時(shí)鎖相的ERP成分，它可以最大化ERP信噪比且計(jì)算效率高。雖然SIM方法理論上證據(jù)充分且已在前期研究中成功提取出EEG數(shù)據(jù)中的P300成分(Wu and Gao 2011),但仍有必要驗(yàn)證是否此種算法也可用于用較少的EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)提取其他ERP。但是當(dāng)前研究表明SIM不能僅從少量的EEG實(shí)驗(yàn)提取出較

94、好的MMN。rdSIM中采取的解決方法是通過(guò)無(wú)參數(shù)重采樣改善MMN的提取。無(wú)參數(shù)重采樣用于從少量實(shí)驗(yàn)次數(shù)EEG數(shù)據(jù)中多次置換采樣來(lái)評(píng)估原始分類，通過(guò)重采樣隨機(jī)采樣標(biāo)準(zhǔn)與偏差刺激對(duì)可減小采樣方差。因此，結(jié)合SIM和無(wú)參數(shù)重采樣技術(shù)的rdSIM算法僅用較少的EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)便可很好的提取MMN波形?？傊褂幂^少EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)提取出較弱的也是SIM算法的擴(kuò)展。</p><p>　　第二，不同于已有的大部分空間濾波器算法

95、，rdSIM能夠直接提取ERP的DW。在以前的研究中，兩種事件的ERP通過(guò)空間濾波器分別提取然后通過(guò)in an ad hoc manner.比較。Cong et al (2011c)的研究表明空間濾波之后做減法不能有效去除偽跡。此外，兩種ERP的分開(kāi)提取加重了計(jì)算負(fù)擔(dān)。在rdSIM方法中，首先進(jìn)行單一實(shí)驗(yàn)偏差刺激與單一實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)刺激的減法，然后利用SIM從這些差異波中提取MMN，這種方法抑制了偏差響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)的共同部分，使差異部分成為主

96、要成分?？梢韵胂髍dSIM可以用于分析更廣泛實(shí)驗(yàn)范式的ERP信號(hào)(e.g., P300,Go/Nogo, Stroop)。</p><p>　　第三，無(wú)參數(shù)重采樣技術(shù)也用于處理標(biāo)準(zhǔn)與偏差數(shù)據(jù)的不平衡，前期的研究中也考慮到類似的方法(Dupret and Koda 2001)，但未用于實(shí)際數(shù)據(jù)。</p><p>　　以上提及的問(wèn)題的幾個(gè)不同方面之間相互影響，rdSIM將其置于一個(gè)統(tǒng)一的框架中

97、僅用較少數(shù)量的EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)便提取出了質(zhì)量較好的MMN。</p><p><b>　　7結(jié)論</b></p><p>　　為從較少的EEG數(shù)據(jù)中提取出MMN波形，本文提出了結(jié)合重采樣差和SIM技術(shù)的rdSIM算法。首先，通過(guò)仿真證明了此種方法的有效性，以及單一實(shí)驗(yàn)次數(shù)，重復(fù)SIM次數(shù)和采樣時(shí)間點(diǎn)3個(gè)參數(shù)對(duì)rdSIM的影響。結(jié)果表明，rdSIM方法提取MMN是可行且有效

98、的。然后，通過(guò)不同頻率聽(tīng)覺(jué)刺激的oddball實(shí)驗(yàn)范式記錄了11位成年受試者少量實(shí)驗(yàn)次數(shù)的EEG數(shù)據(jù)。再利用DW，RAICAR和rdSIM方法提取單一受試者的MMN波形。結(jié)果表明，rdSIM方法提取的MMN的峰值和潛伏期與MMN性質(zhì)一致。因此，對(duì)于本文考慮到的僅有少量EEG實(shí)驗(yàn)次數(shù)的實(shí)驗(yàn)范式，rdSIM能比RAICAR和DW算法更好地提取MMN。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：略</b&g