本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及腦電信號分析處理技術(shù)，具體涉及一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法。

背景技術(shù)：

1、在音樂學(xué)理論中，是兩個(gè)單音之間的音高關(guān)系，音高之間的距離也被稱為音程。提及音程是，采用的都是序數(shù)詞，描述兩個(gè)音之間距離的度數(shù)關(guān)系，比如二度、四度等，考慮到部分兩個(gè)音的度數(shù)較高，計(jì)量類似音程一般只考慮根音和冠音這兩個(gè)音符。根據(jù)雙音的落下時(shí)間可能相同，也可能不同，音程主要分為旋律音程和和聲音程。旋律音程指的是一個(gè)單音和另一個(gè)單音在時(shí)間軸上依次出現(xiàn)，和聲音程指的是兩個(gè)音同時(shí)演奏，但旋律音程更類似于單音的研究，并且整體上人們會感受更愉快，而和聲音程更接近于雙音研究，帶來的粗糙感也比旋律音程更加強(qiáng)烈，更易于給人帶來人耳對十二個(gè)音程的感受差異，更多學(xué)者也傾向于選擇和聲音程進(jìn)行研究。

2、八度內(nèi)具有12個(gè)音程，最小的音程是小二度，而八度對應(yīng)的音程是從某一個(gè)音高到下一組八度對應(yīng)的音高的組合，西方音樂理論將八度內(nèi)的12個(gè)音程關(guān)系，按照頻率順序定義為小二度(m2),大二度(m2),小三度(m3),大三度(m3),純四度(p4),增四度(tt),純五度(p5),小六度(m6),大六度(m6),小七度(m7),大七度(m7),純八度(oct)。

3、目前音樂理論中，對于八度內(nèi)12組音程主觀感受并不一致，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有評價(jià)方法都是基于主觀評測，缺乏一種能夠?qū)崿F(xiàn)客觀定量化人耳對音程感知的評價(jià)體系，將音程關(guān)系的物理特征與人耳聽覺響應(yīng)反饋進(jìn)行關(guān)聯(lián)。目前一些常用的神經(jīng)響應(yīng)的方法有fmri、fnirs以及eeg。fmri由于使用起來噪音較大，并不適用于精細(xì)的聽覺刺激研究。fnirs方法時(shí)間分辨率低，適用于長時(shí)段的調(diào)控研究，對于大腦活動的快速變化難以處理，同樣也不適用于短時(shí)刺激的聽覺響應(yīng)研究。

4、而eeg能夠采用電生理指標(biāo)，記錄大腦實(shí)時(shí)響應(yīng)與能量波動，erp是大腦對外部特定刺激產(chǎn)生電位反應(yīng)，根據(jù)刺激發(fā)生后大腦響應(yīng)時(shí)間，主要分為早期成分和晚期成分，目前音程聽覺刺激下誘發(fā)的erp成分主要聚焦于早期成分，例如誘發(fā)的復(fù)合波n1(100ms)-p2(200ms)-n2(300ms)，n1成分在不同音高關(guān)系的差異并不明顯，而p2-n2具有較明顯的差異，不悅耳的音程會引起更大的n2反應(yīng)，音樂家中具有更加明顯的變化。早期成分通常與感知等初級神經(jīng)響應(yīng)過程相關(guān)，晚期成分與認(rèn)知等高級神經(jīng)響應(yīng)過程相關(guān)。并且在聽覺神經(jīng)機(jī)制方面，已開展的與音程刺激相關(guān)工作主要集中于聽覺皮層早期反應(yīng)，包括已有研究發(fā)現(xiàn)，聽覺皮層的早期加工反應(yīng)是大腦對不同音程的感知基礎(chǔ)，對音程結(jié)構(gòu)的刺激處理過程是由受聽覺系統(tǒng)的基本能力所支配，音程刺激的感知在聽覺信號到達(dá)大腦皮層之前就已經(jīng)出現(xiàn)了。

5、因此本發(fā)明提出一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法的研究思路，著重點(diǎn)在于刺激誘發(fā)的大腦響應(yīng)erp成分的提取與分析。在音程激勵(lì)下腦電erp響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，采用oddball范式的亞型。oddball范式作為常用的erp實(shí)驗(yàn)范式之一，主要包含兩類刺激，一種是大概率刺激，出現(xiàn)概率為70％左右，另一種是小概率刺激，出現(xiàn)概率30％左右。本發(fā)明研究八度內(nèi)十二個(gè)音程激勵(lì)下，大腦的erp響應(yīng)差異，因此將純八度作為大概率刺激，而剩余11個(gè)音程作為小概率刺激，11個(gè)音程的刺激概率相同。

6、此外，本發(fā)明也在思考，音程除了會在人腦早期反應(yīng)產(chǎn)生差異化，那么后天的音樂學(xué)習(xí)干預(yù)是否也會對大腦響應(yīng)產(chǎn)生影響。以往研究了解到，音樂經(jīng)驗(yàn)?zāi)芴岣咭粽{(diào)處理的能力，被試聽不同的音調(diào)時(shí)，音樂家的腦干和皮層反應(yīng)會比非音樂家更加敏感，受過訓(xùn)練對個(gè)體會增強(qiáng)對音高關(guān)系的腦干編碼能力。并且在一項(xiàng)研究學(xué)者開展的音程感知的erp研究中，發(fā)現(xiàn)音程感知與音樂訓(xùn)練存在相互作用，音樂訓(xùn)練在不同音程的處理過程中具有質(zhì)的變化，音樂家在刺激發(fā)生后100-200ms就具有音程的顯著差異感知，而非音樂家要到刺激發(fā)生后200～300ms。

7、本發(fā)明以研究音程與大腦響應(yīng)基礎(chǔ)，同時(shí)也考察普通人與音樂家之間的感知差異，因此本發(fā)明在研究過程中分別選取有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和沒有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的兩類人群進(jìn)行對比，為了考慮音程聽覺刺激對大腦的影響是否會受到音程根音頻率影響，設(shè)置兩組不同頻率段的音程刺激材料，對調(diào)性音樂的最小單元音程的聽覺響應(yīng)機(jī)制開展研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：

2、為了探究人腦對音程的感知效果，本發(fā)明提供一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法。

3、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

4、一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法，其特征在于，步驟如下：

5、步驟1：挑選被測試者，將被測試者分為兩組：一組為無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)組，一組為有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)組；

6、步驟2：分別輸入兩組刺激音程，對兩組被測試者進(jìn)行腦電實(shí)驗(yàn)；所述第一組刺激音程包括第一低頻的音程和第一高頻的音程，所述第二組刺激音程包括第二低頻的音程和第二高頻的音程；

7、步驟3：采集腦電圖并對腦電圖進(jìn)行預(yù)處理；

8、步驟4：對預(yù)處理后的腦電圖進(jìn)行腦電時(shí)域分析，提取基于音程刺激下的腦電響應(yīng)成分的潛伏期和幅值；

9、步驟5：對兩組被測試者和兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢測；

10、步驟6：對腦電圖進(jìn)行事件相關(guān)譜擾動ersp分析，采用stft獲取各個(gè)時(shí)頻點(diǎn)的平方幅值。

11、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述分別輸入兩組刺激音程，對兩組被測試者進(jìn)行腦電實(shí)驗(yàn)，具體為：

12、基于oddball范式，大概率刺激選取純八度，小概率刺激為剩余11組音程；每組實(shí)驗(yàn)分為14階段，每一階段包含80次刺激；設(shè)置500ms聲音刺激及500ms間隔。

13、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：為減少眼動干擾，要求被測試者全程閉眼進(jìn)行。

14、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述采集腦電圖并對腦電圖進(jìn)行預(yù)處理，具體為：

15、通過腦電信號采集軟件curry7進(jìn)行記錄，并開展數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，包括對腦電響應(yīng)信號做電極定位、1～40hz的帶通濾波以及50hz的工頻濾波、刺激前200ms～刺激后800ms分段以及ica運(yùn)行。

16、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述對預(yù)處理后的腦電圖進(jìn)行腦電時(shí)域分析，提取基于音程刺激下的腦電響應(yīng)成分的潛伏期和幅值；具體為：

17、步驟4.1：在eeglab中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)study，選取12個(gè)音程對應(yīng)的條件；

18、步驟4.2：勾選測量erps這一欄；

19、步驟4.3：選取每一個(gè)電極對應(yīng)的名稱，繪制出響應(yīng)的時(shí)域波形圖；

20、步驟4.3：采用findpeaks函數(shù)找尋波峰的絕對值時(shí)間點(diǎn)位置，并對應(yīng)相應(yīng)的幅值，計(jì)算n400和lpc成分的潛伏期和幅值。

21、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述差異性檢測包括音程12分類數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)、有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)、根音為低頻音和根音為高頻音的差異性檢驗(yàn)。

22、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述對兩組被測試者和兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢測，采用的檢驗(yàn)方法包括獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和fdr校正，具體為：

23、采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，分別比較有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)以及時(shí)頻點(diǎn)是否具有顯著差異，根音為低頻音和根音為高頻音的兩組實(shí)驗(yàn)是否具有顯著差異，通過計(jì)算t值來進(jìn)行判斷兩組數(shù)據(jù)是否具有差異，包括：

24、步驟5.1：提出要分析的兩組數(shù)據(jù)假設(shè)，h0：μ1＝μ2，h1：μ1≠μ2，其中μ1為數(shù)據(jù)1的均值，μ2為數(shù)據(jù)1的均均值。

25、步驟5.2：確定檢驗(yàn)水平，α＝0.05；

26、步驟5.3：兩組數(shù)據(jù)方差齊，則

27、

28、步驟5.4：當(dāng)t≥0.05，說明α檢驗(yàn)水平下接受原假設(shè)，拒絕備擇假設(shè)，反之亦然；

29、步驟5.6：將總計(jì)m次檢驗(yàn)結(jié)果的p值按從小到大進(jìn)行排序，k為其中一次檢驗(yàn)結(jié)果的p值對應(yīng)的排名，p(k)為第k次檢驗(yàn)的原始p值，原始閾值a取0.05，按照公式：

30、p(k)≤a×k/m

31、符合公式時(shí)，說明第k次數(shù)據(jù)檢驗(yàn)具有顯著性差異，通過fdr校正。

32、本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案：所述對腦電圖進(jìn)行事件相關(guān)譜擾動ersp分析，具體為：

33、對音程刺激下的腦電數(shù)據(jù)加窗處理，采用短時(shí)傅里葉變換，窗口沿著時(shí)間軸向前滑動，每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的處理，得到時(shí)頻圖，時(shí)域以及頻域變化的信息，其橫軸表示時(shí)間，縱軸表示頻率，每個(gè)時(shí)頻點(diǎn)代表的就是能量值。

34、一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于包括：一個(gè)或多個(gè)處理器，計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，用于存儲一個(gè)或多個(gè)程序，其中，當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)上述的方法。

35、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于存儲有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)上述的方法。

36、本發(fā)明的有益效果在于：

37、本發(fā)明提出一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法。為了探究人腦對音程的感知效果究竟是先天遺傳獲得的，還是由后天的專業(yè)音樂訓(xùn)練增強(qiáng)的，通過開展音程刺激下的腦電erp實(shí)驗(yàn)，提取出兩類聽者以及兩組實(shí)驗(yàn)下誘發(fā)的晚期響應(yīng)成分n400和lpc的幅值和潛伏期，在時(shí)域波形圖、空間腦地形圖、十二音程刺激下誘發(fā)的成分?jǐn)?shù)據(jù)特征以及ersp多個(gè)角度分析，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者的音程感知特點(diǎn)，以及音程根音頻率差異對音程感知特性的影響。具體以下優(yōu)點(diǎn)：

38、(1)對于erp時(shí)域波形響應(yīng)差異圖，從圖3可以看到：

39、a.有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者的差異：在音程根音為低頻音時(shí)，無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者的波形整體趨向會略高于有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者，在刺激后200ms附近具有顯著差異。在音程根音為高頻音時(shí)，有音樂經(jīng)驗(yàn)聽者在誘發(fā)的n400和lpc幅值數(shù)值(絕對值)要高于無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者。

40、b.音程根音為低頻音和根音為高頻音的差異：對于無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者，根音為低頻音和根音為高頻音的時(shí)域波形響應(yīng)差異并不明顯，對于有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者，根音為高頻音的波形整體趨向高于根音為低頻音的響應(yīng)波形，在刺激后210ms至310ms具有顯著差異。

41、(2)對于響應(yīng)的空間腦地形圖，結(jié)合圖4和圖5可以看到：

42、a.n400和lpc的潛伏期均由前腦向后腦區(qū)過渡，潛伏期縮短。

43、b.對比n400和lpc成分的響應(yīng)幅值可見，n400在中央?yún)^(qū)偏右具有明顯響應(yīng)，lpc在中央?yún)^(qū)偏左具有明顯響應(yīng)，有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者具有更強(qiáng)烈的大腦響應(yīng)。

44、(3)對于時(shí)頻域分析，結(jié)合圖6，可以看到

45、a.在350ms～450ms左右，theta波段(4～7.5)和alpha波段(8～13hz)，能量較高，尤其體現(xiàn)在alpha波段，而在高頻段的能量較低，并且有音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的聽者在音程刺激下的能量更強(qiáng)烈。

46、b.在同一組實(shí)驗(yàn)里，有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)聽者在各個(gè)時(shí)頻點(diǎn)的差異性較大，而同一類聽者在根音為低頻和根音為高頻的兩組實(shí)驗(yàn)差異并沒有那么明顯。

47、本發(fā)明提出了一種基于音程聽覺刺激模式的erp提取與分析方法新穎之處在于三個(gè)方面：(1)基于調(diào)性音樂音程聲物理特性的腦電機(jī)制建立腦機(jī)接口模態(tài)；(2)將有無音樂學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)作為兩個(gè)參照維度進(jìn)行erp參數(shù)提??；(3)將音程根音頻率作為聲刺激參數(shù)進(jìn)行erp特征提取。

48、以上創(chuàng)新點(diǎn)旨在提出調(diào)性音樂基本特征單元——音程刺激下誘發(fā)大腦聽覺神經(jīng)響應(yīng)erp成分的提取分析方法。本發(fā)明通過理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。