基于信号处理技术的正念脑电信息提取方法
杨建平+孔翠香+帅晓勇+刘秋平+张德乾
摘 要： 为了更好地发挥正念的应用价值，探索并揭示其作用机制已成为相关研究的重中之重。脑电信号是一种方便且非常有效的研究手段，几乎蕴藏着正念过程中心理状态变化的全部信息。结合信号处理技术，从时域、频域、时频结合以及非线性特征量等方面分析正念脑电信号在不同角度下的物理意义及应用方法，这些方法有望为挖掘正念的作用机制提供理论、技术上的支持。
关键词： 正念训练； 脑电信号； 信号处理； 信息提取
中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0070?05
Mindfulness EEG information extraction method based on signal processing technology
YANG Jianping1， KONG Cuixiang1， SHUAI Xiaoyong1， LIU Qiuping1， ZHANG Deqian2
（1. School of Electronics and Information Engineering， Jinggangshan University， Jian 343009， China；
2. College of Education， Jinggangshan University， Jian 343009， China）
Abstract： In order to use the application value of mindfulness better， it is very important to explore and reveal its mechanism in relevant researches. EEG signal is a convenient and effective research means， and contains all information about the psychological change in mindfulness process. In combination with signal processing technology， the physical meanings and application methods of mindfulness EEG signal under different conditions are analyzed in the aspects of time domain， frequency domain， time?frequency combination and nonlinear characteristic quantity. The method is expected to provide the theoretical and technical supports for mining the mechanism of mindfulness.
Keywords： mindfulness training； electroencephalogram signal； signal processing； information extraction
0 引 言
正念是源于東方禅修的一种有意识、非评判的对当前状态进行注意的方法[1]， 也是一种意识状态或心理过程。国内外的各种研究发现，正念训练能够改变大脑额叶、顶叶、颞叶等多个区域的神经电活动，改善人体的免疫功能，能够使脑电（Electroencephalogram，EEG）特征（感觉、注意、记忆、学习、意识和情绪等状态下）、脑功能的激活模式以及脑结构发生改变，已被广泛应用于改善注意力、缓解心理压力、调节负面情绪等方面，为临床上的各种慢性疾病提供心理治疗或康复手段。
正念训练普遍被看作是一种集中注意力的方法，是一种心理状态的自我调节过程，传统的问卷、量表等主观测量的心理学研究方法并不能很好地评价人体的生理或心理状态；现代的脑功能技术为正念训练的研究带来了新的方法和手段，如磁共振、CT以及EEG，其中EEG是目前最方便又能直接、客观反映大脑生理状态的一种技术；EEG是大脑神经元突触后电位的综合，是大脑神经电活动产生的电场在头皮上的电位分布，可通过传感器、放大电路、滤波器等组成的脑电采集系统采集、提取并保存。EEG信号反映了大脑神经组织的电活动及大脑的功能状态，是国内外脑和神经科学等相关研究的持续热点问题，挖掘EEG信号中蕴藏的信息被看作是认知、思维科学研究中的一把钥匙，因而将这把钥匙应用于正念训练者EEG信息的提取、分析、研究，获取正念训练的各种作用机制是非常必要的。
1 正念EEG的信息提取方法
大脑神经系统的活动是一个非常复杂的行为，从正念训练者的大脑中采集的EEG信号是大脑系统活动的表征，其蕴藏着正念训练影响大脑思维和认知功能的众多信息，如何从这个复杂系统的时间序列——EEG信号中获取正念EEG信息，为信息处理技术提供了大显身手的舞台。
EEG信号由多个不同的节律组成，主要有（0.5～4 Hz），（4～8 Hz），（8～13 Hz），（13～20 Hz），（20～30 Hz），（30～60 Hz）等，不同的节律表征人体所处的状态不同。在探索正念训练对被试影响（或改善作用）的研究中，主要采用横向对比正念者和非正念者，及纵向对比正念训练前、正念训练过程、正念训练后的EEG节律，分析正念EEG中节律成分的相对变化、不同节律幅度的变化。
众多研究[2?6]广泛讨论了正念EEG中几个比较敏感的节律指标（波、波和波）：
（1） 研究认为额区波和枕区波的变化能够较好地反映正念训练的EEG特征，波为低频波，对应于正念者处于深度放松、浅睡眠、沉思和潜意识状态，此状态下易受暗示启发，创造力强、易发灵感、富于直觉，学习、记忆效率高；波频率分布在30 Hz以上，与记忆、整体性思考等有关。
摘 要： 为了更好地发挥正念的应用价值，探索并揭示其作用机制已成为相关研究的重中之重。脑电信号是一种方便且非常有效的研究手段，几乎蕴藏着正念过程中心理状态变化的全部信息。结合信号处理技术，从时域、频域、时频结合以及非线性特征量等方面分析正念脑电信号在不同角度下的物理意义及应用方法，这些方法有望为挖掘正念的作用机制提供理论、技术上的支持。
关键词： 正念训练； 脑电信号； 信号处理； 信息提取
中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）17?0070?05
Mindfulness EEG information extraction method based on signal processing technology
YANG Jianping1， KONG Cuixiang1， SHUAI Xiaoyong1， LIU Qiuping1， ZHANG Deqian2
（1. School of Electronics and Information Engineering， Jinggangshan University， Jian 343009， China；
2. College of Education， Jinggangshan University， Jian 343009， China）
Abstract： In order to use the application value of mindfulness better， it is very important to explore and reveal its mechanism in relevant researches. EEG signal is a convenient and effective research means， and contains all information about the psychological change in mindfulness process. In combination with signal processing technology， the physical meanings and application methods of mindfulness EEG signal under different conditions are analyzed in the aspects of time domain， frequency domain， time?frequency combination and nonlinear characteristic quantity. The method is expected to provide the theoretical and technical supports for mining the mechanism of mindfulness.
Keywords： mindfulness training； electroencephalogram signal； signal processing； information extraction
0 引 言
正念是源于東方禅修的一种有意识、非评判的对当前状态进行注意的方法[1]， 也是一种意识状态或心理过程。国内外的各种研究发现，正念训练能够改变大脑额叶、顶叶、颞叶等多个区域的神经电活动，改善人体的免疫功能，能够使脑电（Electroencephalogram，EEG）特征（感觉、注意、记忆、学习、意识和情绪等状态下）、脑功能的激活模式以及脑结构发生改变，已被广泛应用于改善注意力、缓解心理压力、调节负面情绪等方面，为临床上的各种慢性疾病提供心理治疗或康复手段。
正念训练普遍被看作是一种集中注意力的方法，是一种心理状态的自我调节过程，传统的问卷、量表等主观测量的心理学研究方法并不能很好地评价人体的生理或心理状态；现代的脑功能技术为正念训练的研究带来了新的方法和手段，如磁共振、CT以及EEG，其中EEG是目前最方便又能直接、客观反映大脑生理状态的一种技术；EEG是大脑神经元突触后电位的综合，是大脑神经电活动产生的电场在头皮上的电位分布，可通过传感器、放大电路、滤波器等组成的脑电采集系统采集、提取并保存。EEG信号反映了大脑神经组织的电活动及大脑的功能状态，是国内外脑和神经科学等相关研究的持续热点问题，挖掘EEG信号中蕴藏的信息被看作是认知、思维科学研究中的一把钥匙，因而将这把钥匙应用于正念训练者EEG信息的提取、分析、研究，获取正念训练的各种作用机制是非常必要的。
1 正念EEG的信息提取方法
大脑神经系统的活动是一个非常复杂的行为，从正念训练者的大脑中采集的EEG信号是大脑系统活动的表征，其蕴藏着正念训练影响大脑思维和认知功能的众多信息，如何从这个复杂系统的时间序列——EEG信号中获取正念EEG信息，为信息处理技术提供了大显身手的舞台。
EEG信号由多个不同的节律组成，主要有（0.5～4 Hz），（4～8 Hz），（8～13 Hz），（13～20 Hz），（20～30 Hz），（30～60 Hz）等，不同的节律表征人体所处的状态不同。在探索正念训练对被试影响（或改善作用）的研究中，主要采用横向对比正念者和非正念者，及纵向对比正念训练前、正念训练过程、正念训练后的EEG节律，分析正念EEG中节律成分的相对变化、不同节律幅度的变化。
众多研究[2?6]广泛讨论了正念EEG中几个比较敏感的节律指标（波、波和波）：
（1） 研究认为额区波和枕区波的变化能够较好地反映正念训练的EEG特征，波为低频波，对应于正念者处于深度放松、浅睡眠、沉思和潜意识状态，此状态下易受暗示启发，创造力强、易发灵感、富于直觉，学习、记忆效率高；波频率分布在30 Hz以上，与记忆、整体性思考等有关。
