脑电数据的频域分析

引入

不同于ERPs数据常用的时域分析,还有一种分析方法是频域分析。
频域分析适用的数据要更加广泛,不仅可以用来分析ERPs的数据(主要是刺激前后),还可以用来分析resting EEG的数据。

频域分析简单理解就是把时域分析中的横坐标的时间换成频域,纵坐标的幅值换成power。这样的话,它更加关注就不是随着时间进程脑电波幅的变化,而是能量的分布,即每种频段的power。

power 这个词经常指的是:振幅的平方 or 以dB为单位的值(i.e.振幅平方的对数形式)

频域图

时域变换成频域

对于时域上的分析比较好理解,直接去观察每个通道上的波形随着时间的变化就可以了。而在频域上的分析要如何获取呢?

要想理解频域分析,首先要了解信号是能够从时域转换成频域的。

我们都知道,脑电设备采集到的数据实际上就是一种信号。任何复杂信号——例如音乐信号,都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成[1]。

对于每一个正弦波来说都可以有三个特征,这三个特征也确定了一个正弦波形:振幅、频率、相位。
正弦曲线可表示为y=Asin(ωx+φ)+k,定义为函数y=Asin(ωx+φ)+k在直角坐标系上的图象,其中sin为正弦符号,x是直角坐标系x轴上的数值,y是在同一直角坐标系上函数对应的y值,k、ω和φ是常数(k、ω、φ∈R且ω≠0)
A——振幅,当物体作轨迹符合正弦曲线的直线往复运动时,其值为行程的1/2。
(ωx+φ)——相位,反映变量y所处的状态。
φ——初相,x=0时的相位;反映在坐标系上则为图像的左右移动。
k——偏距,反映在坐标系上则为图像的上移或下移。
ω——角速度, 控制正弦周期(单位弧度内震动的次数)[2]。

正弦函数

傅里叶原理表明:任何连续测量的时序或信号,都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加[3]。
所以,通过这种原理,我们就可以把信号变成许许多多频率不同、大小不等的正弦波。这样自然可以获得频域上的信息了。

对于一个连续信号来说,可以通过傅里叶,把一个波形分解成若干个正弦波。

  • 周期连续信号
    对周期连续信号可以做傅里叶分解,周期连续信号转化频谱,周期越大,横轴的频率点就越密集
  • 非周期连续信号
    对非周期连续信号可以做傅里叶变换,非周期的连续信号其实就相当于是周期无穷大,因此,在频谱图中,频率点的间隔越小,越密集,越连续。

对于EEG数据来说,实际上是一种非周期的、非连续的数据,主要还是依赖于数据的采样率。如果采样率高的话,数据就越接近连续数据。但是事实上,就算采样率再高,这也是一种非连续数据。
因此,EEG就是非周期的离散信号。所以,对EEG数据来说,频率轴是有限制的。可以获得的数据收到采样率的影响。这也就是尼奎斯定理,即采样定理。
所以,可以对EEG数据也进行傅里叶变换来探讨其在频域上的特点。

傅里叶变换

参考:
[1]https://baike.baidu.com/item/%E6%AD%A3%E5%BC%A6%E6%B3%A2/8995467?fr=aladdin
[2]https://baike.baidu.com/item/%E6%AD%A3%E5%BC%A6%E6%9B%B2%E7%BA%BF/4750079
[3]https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%B8%E4%BD%8D%E8%B0%B1/416418

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