作 者 : 葉耀中49927045 李信宏49927038 何柏霖49927043 何鴻鑫49927049指導老師 : 侯春茹

1. 腦波訊號之簡介2. 睡眠腦波訊號之簡介3. 睡眠腦波訊號測量的方法4. 睡眠腦波訊號處理的目的5. 睡眠腦波訊號處理的流程6. 睡眠腦波訊號處理的方法與結果7. 結論8. 心得

► 腦電波圖是記錄頭殼上某兩點的電位差，人在清醒、壓力大、昏

迷等不同狀況時，腦電波的振動頻率會有明顯不同的變化。

► 腦電圖各主要成分的產生可歸納為以下幾點：①慢活動是皮層內

許多錐體細胞同時產生的突觸后電位的總和；② α 節律可能是由非

特異性丘腦核的興奮性和抑制性突觸后電位變化所產生；③快活動

是 由網狀結構而來的沖動使丘腦非特異性核的節律性放電消除，

并使皮層電位成為去同步化而產生。

人類的大腦裡，有許多神經細胞日復一日不斷活動；細胞活動會發出電磁波，如果用科學儀器偵測腦的電位活動，在螢幕上看起來就像海浪波動一樣，所以我們叫它「腦波」。簡單地說，腦波和大腦的意識有某種程度上的對應關係，就像是腦細胞活動的節奏。

大腦皮質的各功能區。其中，額葉主要與推理、計畫、某些語言、運動、情緒等有關；頂葉與觸覺、壓力、溫度及疼痛相關；顳葉和知覺、聽覺刺激辨識及記憶相關；枕葉與視覺有關。

1929 年，柏格首次在人類的頭蓋骨上記錄到相同的電波活動，他記錄、

測量了人腦中微小的放電過程，這是人類史上第一次發表腦波記錄，命名為「腦電波圖」（ electroencephalogram ，簡稱 EEG 、腦電圖）。

腦波就是大腦中「電氣性的變動」，上方的貼片就是偵測腦波的點。

► α 波：頻率 8 ～ 13Hz ，波幅 10 ～ 100μV 。 大腦各區均有，但以枕部最明顯。 α 節律是成人和較大兒童清醒閉目時主要的正常腦電活動，小兒的 α 波及節律隨年齡增長而逐漸明顯。

► β 波：頻率 14 ～ 30Hz ，波幅約 5 ～ 30μV 。 以額、顳和中央區較明顯。在精神活動，情緒興奮時增多。約有 6% 的正常人即使在精神安定和閉目時所記錄的腦電圖仍以 β 節律為主，稱之為 β 型腦電圖。

► θ 波：頻率 4 ～ 7Hz ，波幅 20 ～ 40μV 。► δ 波：頻率 0.5 ～ 3Hz ，波幅 10 ～ 20μV 。常在額部出現。 θ 波和 δ 波統稱慢波，常見于正常嬰兒至兒童期，以及成人的睡眠期。慢活動增多或出現局灶性慢波有一定的定位診斷價值。

腦波波形分類

腦電波的特性： 強度： 100uV 以下，通常只會到幾

10uV

頻率：大部分都在 0.1Hz~40Hz範圍

腦波波形圖

你猜！哪件事讓我們每天花 8個小時，每週花56個小時，每月花 224個小時，每年花 2,688個小時，來從事這項活動。 沒錯！正是睡眠！顯然我們一生中有三分之一的時間無所事事。但是睡眠真的就是無所事事嗎？ 它看起來像是闔上眼、肌肉放鬆、呼吸規律、對聲音或是光線缺乏反應。如果你留意觀察腦中正在發生的事，那真是出人意料！腦部其實非常活躍的。

睡眠過程大致分為：清醒期 Stage W 、非快速動眼期 Stage NREM （ Stage1~Stage4 ）和快速動眼期 Stage REM 等睡眠階段。其中睡眠第一期和睡眠第二期稱為快波睡眠（ fast wave sleep , FWS ）或是淺度睡眠（ light sleep ）；而睡眠第三期和睡眠第四期稱為慢波睡眠（ slow wave sleep , SWS ）或是深度睡眠（ deep sleep ）。正常成人非快速動眼期的慢波睡眠大多發生在前三分之一夜，快速動眼期睡眠則在後三分之一夜占較多的比例。

► 清醒期（ Stage W ） :低幅、雜頻，心情放鬆（大腦休息）和閉眼時會出現明顯連續的 α 波。► 睡眠第一期（ Stage 1 ）：低幅、雜頻且時有 θ 波出現，偶爾會出現頭蓋頂銳波 (Vertex Sharp Waves) ，但並不會有 K複合波（ K Complexes ）或紡綞波（ Spindle Waves ）的出現。 

► 睡眠第二期（ Stage 2 ）：低幅、雜頻且常有 θ 波出現， K複合波和紡綞波有時會出現，並且有可能出現頭蓋頂銳波（睡眠階段一也會出現）。

► 睡眠第三期（ Stage 3 ）：高幅、低頻的 δ 波占一時間區段的 20%~50% 。且偶爾會出現紡綞波。

► 睡眠第四期（ Stage 4 ）：高幅、低頻的 δ 波占一時間區段的 50% 。且偶爾會出現紡綞波。

► 快速動眼期（ Stage REM ）：低幅、雜頻且偶爾會出現頭蓋頂銳波，與睡眠階段一類似，但常出現鋸齒波（ Sawtooth Waves ）。

睡眠過程階段

當我們入睡的時候，我們的腦有點像是「摩天輪」，經歷不同的睡眠階段。當我們漸漸睡去，首先我們進入睡眠的第一階段。在幾分鐘之後，腦波圖的型態轉換至睡眠的第二階段、第三階段、第四階段。然後再倒推回來第三階段、第二階段，然後是快速動眼睡眠，再倒推一次，反覆循環 4~5 次，於是便看見下面的圖。如下圖所示，在 8 小時的睡眠過程中，腦部經歷這些循環 4~6 次。

► 前置放大器採用儀錶放大器，用於將腦波圖的向量訊號萃取出為單級訊號，其放大率為 50，並採用 JFET型的運算放大器來提高電擊和電路間的阻抗匹配。

► 隔離電路，用以將訊號和電源做隔離，並保護受測者，可採用光學式或者變壓器式。

► 帶通濾波器的頻寬設為 1~20Hz，再將通過濾波器的微弱訊號加以放大 1000倍，便可直接於示波器顯示出腦波訊號。

前置放大電路X 50

增益放大電路

X 1000

隔離電路

帶通濾波電路

1 ~ 20 Hz

表面電極

腦波圖

腦波訊號為一種組合各種頻率的方式呈現的時間序列函數，若是要在

時間頻域上直接觀察，往往會遺失掉許多重要的訊息，所以做傅立葉轉換將時域的序列信號轉換至頻域中，以便觀察每個頻率下的訊號能量變化，將腦波訊號以時間為單位，作傅利葉轉換分析，再作頻譜分析，即得到腦波在每一頻率上的分佈情形。

睡眠腦波量測位置有 6個極點，分別為 F3 、 F4 、 C3 、 C4 、 P3 及 P4 。我們量測的極點為： C4

國際化 10-20法之極點的位置

在此針對 Fp1-F7 與 A1 的 EEG取樣做分析，其電壓的放大增益5x105~106，頻寬則介於 0.48Hz~40Hz 之間，根據此量測到的 EEG-RAW -

DATA ，以清醒和初期睡眠簡單區分成 2 種各別來分析與模擬，並根據下列方式將這些離散數據做傅立業轉換與能量分析：指定一實際的訊號數列為 ，而 為 經過傅利葉轉換後的結果，假設我們的取樣數目為 N （ N 為偶數），我們定義此 N筆數值的能量密度 Pm為：

， m=0,1,…,N-1……(1)

其中 ………… (2)

透過此轉換方式即可得到頻率分佈與能量大小。

雜訊濾除：－腦波雜訊來源

► 生理反應：眨眼、呼吸、心跳等生理反應。 ► 腦波量測裝備：電極片是否適當黏貼。 ► 環境： 60Hz交流電干擾訊號。

記錄腦波時，常會得到非來自大腦本身的波形，而這些波會干擾到正常腦波的判讀，故稱為干擾波。一般而言，干擾波可分為三大類：

非參數方法 :Periodogram

Welch

加窗 (漢明窗、漢寧窗、三角窗、矩形窗、布雷克曼

窗 )

FIR ： M 點移動平均濾波器IIR ： Butterworth 、 Chebyshev I 、

Chebyshev II 、 Elliptic同步平均濾波器

去基線飄移原始訊號

功率頻譜密度

快速傅立葉轉換相位頻譜強度頻譜

參數方法 :Yile-walker AR法

► 原始訊號

► 加雜訊

► 去基線飄移

► 快速傅利葉轉換 FFT

► 加窗

► 加窗

► 加窗

► 加窗

► 加窗 +FFT

► 加窗 +FFT

► 加窗 +FFT

► 加窗 +FFT

► M 點平均濾波器

► M 點平均濾波器

► M 點平均濾波器

► 濾波後加窗

► 濾波後加窗

► 濾波後加窗

► 濾波後加窗 (M=20)

► 濾波後加窗 (M=100)

► 濾波後加窗 +FFT

► 濾波後加窗 +FFT

► 濾波後加窗 +FFT

► 濾波後加窗 +FFT(M=20)

► 濾波後加窗 +FFT(M=100)

► IIR濾波器

► IIR濾波器

► IIR濾波器

► 巴特沃斯

► 柴比雪夫 I 型

► 柴比雪夫 II型

► 橢圓

► 波德圖

► 波德圖巴特沃

斯

柴比雪夫I

型

柴比雪夫I

I

型

橢圓

► 巴特沃斯 + 窗 +FFT

► 巴特沃斯 + 窗

► 柴比雪夫 I 型 + 窗

► 柴比雪夫 II型 + 窗

► 橢圓 + 窗

► 巴特沃斯 + 窗 +FFT

► 柴比雪夫 I 型 + 窗 +FFT

► 柴比雪夫 II型 + 窗 +FFT

► 橢圓 + 窗 +FFT

► 找出 EEG 訊號

► 找出 EEG 訊號

► 同步平均

► 同步平均

► 同步平均

► M 點移動平均濾波

► M 點移動平均濾波

► 功率頻譜密度

► 功率頻譜密度

► 功率頻譜估計週期圖

► 功率頻譜估計週期圖 (nfft=256)矩形窗 漢明窗 漢寧窗

布雷克曼窗三角窗

► 功率頻譜估計週期圖 (nfft=512)矩形窗 漢明窗 漢寧窗

布雷克曼窗三角窗

► 功率頻譜估計週期圖 (nfft=1024)矩形窗 漢明窗 漢寧窗

布雷克曼窗三角窗

► Welch 方法 ( 週期圖平均 )

► Welch 方法 ( 週期圖平均 ) 50%矩形窗 漢明窗 漢寧窗

布雷克曼窗三角窗

► Welch 方法 ( 週期圖平均 ) 70%矩形窗 漢明窗 漢寧窗

布雷克曼窗三角窗

► Yule-Walker AR 方法 自相關函數

► Yule-Walker AR 方法 自相關函數

► Yule-Walker AR 方法 自相關函數

結論結論 -- 訊號處理流程訊號處理流程

非參數方法 :Periodogram

Welch

加窗 (漢明窗、漢寧窗、三角窗、矩形窗、布雷克曼

窗 )

FIR ： M 點移動平均濾波器IIR ： Butterworth 、 Chebyshev I 、

Chebyshev II 、 Elliptic同步平均濾波器

去基線飄移原始訊號

功率頻譜密度

快速傅立葉轉換相位頻譜強度頻譜

參數方法 :Yile-walker AR法

濾波方式 優缺點M 點移動平均濾波器 適合

同步平均濾波器 不適合，因為腦波訊號不明顯

Butterworth 適合，可去除漣波

Chebyshev1 不適合，有 Gibbs 現象

Chebyshev2 不適合，滾降率差、漣波也沒有減少很多

Elliptic 不適合，有 Gibbs 現象

窗型函數 優缺點漢明窗 適合

漢寧窗 適合

矩形窗 不適合，旁辦效應比其他窗型高

三角窗 適合

布雷克曼窗 不適合，主辦寬度過寬

快速傅立葉轉換

不適用，因快速傅立葉轉換較適用於連續性訊號，但EEG屬於隨機訊號，所以 EEG不適用於快速

傅立葉轉換。

功率頻譜密度

適用，功率頻譜較適用於隨機訊號，且 EEG為隨機性訊號，符合功率頻譜密度的需求，所以

EEG適用於功率頻譜密度。