一种基于音程听觉刺激模式的ERP提取与分析方法

本发明属于生物医学工程领域，涉及脑电信号分析处理技术，具体涉及一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法。

背景技术：

1、在音乐学理论中，是两个单音之间的音高关系，音高之间的距离也被称为音程。提及音程是，采用的都是序数词，描述两个音之间距离的度数关系，比如二度、四度等，考虑到部分两个音的度数较高，计量类似音程一般只考虑根音和冠音这两个音符。根据双音的落下时间可能相同，也可能不同，音程主要分为旋律音程和和声音程。旋律音程指的是一个单音和另一个单音在时间轴上依次出现，和声音程指的是两个音同时演奏，但旋律音程更类似于单音的研究，并且整体上人们会感受更愉快，而和声音程更接近于双音研究，带来的粗糙感也比旋律音程更加强烈，更易于给人带来人耳对十二个音程的感受差异，更多学者也倾向于选择和声音程进行研究。

2、八度内具有12个音程，最小的音程是小二度，而八度对应的音程是从某一个音高到下一组八度对应的音高的组合，西方音乐理论将八度内的12个音程关系，按照频率顺序定义为小二度(m2),大二度(m2),小三度(m3),大三度(m3),纯四度(p4),增四度(tt),纯五度(p5),小六度(m6),大六度(m6),小七度(m7),大七度(m7),纯八度(oct)。

3、目前音乐理论中，对于八度内12组音程主观感受并不一致，这主要是因为现有评价方法都是基于主观评测，缺乏一种能够实现客观定量化人耳对音程感知的评价体系，将音程关系的物理特征与人耳听觉响应反馈进行关联。目前一些常用的神经响应的方法有fmri、fnirs以及eeg。fmri由于使用起来噪音较大，并不适用于精细的听觉刺激研究。fnirs方法时间分辨率低，适用于长时段的调控研究，对于大脑活动的快速变化难以处理，同样也不适用于短时刺激的听觉响应研究。

4、而eeg能够采用电生理指标，记录大脑实时响应与能量波动，erp是大脑对外部特定刺激产生电位反应，根据刺激发生后大脑响应时间，主要分为早期成分和晚期成分，目前音程听觉刺激下诱发的erp成分主要聚焦于早期成分，例如诱发的复合波n1(100ms)-p2(200ms)-n2(300ms)，n1成分在不同音高关系的差异并不明显，而p2-n2具有较明显的差异，不悦耳的音程会引起更大的n2反应，音乐家中具有更加明显的变化。早期成分通常与感知等初级神经响应过程相关，晚期成分与认知等高级神经响应过程相关。并且在听觉神经机制方面，已开展的与音程刺激相关工作主要集中于听觉皮层早期反应，包括已有研究发现，听觉皮层的早期加工反应是大脑对不同音程的感知基础，对音程结构的刺激处理过程是由受听觉系统的基本能力所支配，音程刺激的感知在听觉信号到达大脑皮层之前就已经出现了。

5、因此本发明提出一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法的研究思路，着重点在于刺激诱发的大脑响应erp成分的提取与分析。在音程激励下脑电erp响应实验中，采用oddball范式的亚型。oddball范式作为常用的erp实验范式之一，主要包含两类刺激，一种是大概率刺激，出现概率为70％左右，另一种是小概率刺激，出现概率30％左右。本发明研究八度内十二个音程激励下，大脑的erp响应差异，因此将纯八度作为大概率刺激，而剩余11个音程作为小概率刺激，11个音程的刺激概率相同。

6、此外，本发明也在思考，音程除了会在人脑早期反应产生差异化，那么后天的音乐学习干预是否也会对大脑响应产生影响。以往研究了解到，音乐经验能提高音调处理的能力，被试听不同的音调时，音乐家的脑干和皮层反应会比非音乐家更加敏感，受过训练对个体会增强对音高关系的脑干编码能力。并且在一项研究学者开展的音程感知的erp研究中，发现音程感知与音乐训练存在相互作用，音乐训练在不同音程的处理过程中具有质的变化，音乐家在刺激发生后100-200ms就具有音程的显著差异感知，而非音乐家要到刺激发生后200～300ms。

7、本发明以研究音程与大脑响应基础，同时也考察普通人与音乐家之间的感知差异，因此本发明在研究过程中分别选取有音乐学习经验和没有音乐学习经验的两类人群进行对比，为了考虑音程听觉刺激对大脑的影响是否会受到音程根音频率影响，设置两组不同频率段的音程刺激材料，对调性音乐的最小单元音程的听觉响应机制开展研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、为了探究人脑对音程的感知效果，本发明提供一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法，其特征在于，步骤如下：

5、步骤1：挑选被测试者，将被测试者分为两组：一组为无音乐学习经验组，一组为有音乐学习经验组；

6、步骤2：分别输入两组刺激音程，对两组被测试者进行脑电实验；所述第一组刺激音程包括第一低频的音程和第一高频的音程，所述第二组刺激音程包括第二低频的音程和第二高频的音程；

7、步骤3：采集脑电图并对脑电图进行预处理；

8、步骤4：对预处理后的脑电图进行脑电时域分析，提取基于音程刺激下的脑电响应成分的潜伏期和幅值；

9、步骤5：对两组被测试者和两组实验数据进行差异性检测；

10、步骤6：对脑电图进行事件相关谱扰动ersp分析，采用stft获取各个时频点的平方幅值。

11、本发明进一步的技术方案：所述分别输入两组刺激音程，对两组被测试者进行脑电实验，具体为：

12、基于oddball范式，大概率刺激选取纯八度，小概率刺激为剩余11组音程；每组实验分为14阶段，每一阶段包含80次刺激；设置500ms声音刺激及500ms间隔。

13、本发明进一步的技术方案：为减少眼动干扰，要求被测试者全程闭眼进行。

14、本发明进一步的技术方案：所述采集脑电图并对脑电图进行预处理，具体为：

15、通过脑电信号采集软件curry7进行记录，并开展数据预处理工作，包括对脑电响应信号做电极定位、1～40hz的带通滤波以及50hz的工频滤波、刺激前200ms～刺激后800ms分段以及ica运行。

16、本发明进一步的技术方案：所述对预处理后的脑电图进行脑电时域分析，提取基于音程刺激下的脑电响应成分的潜伏期和幅值；具体为：

17、步骤4.1：在eeglab中导入数据，创建一个study，选取12个音程对应的条件；

18、步骤4.2：勾选测量erps这一栏；

19、步骤4.3：选取每一个电极对应的名称，绘制出响应的时域波形图；

20、步骤4.3：采用findpeaks函数找寻波峰的绝对值时间点位置，并对应相应的幅值，计算n400和lpc成分的潜伏期和幅值。

21、本发明进一步的技术方案：所述差异性检测包括音程12分类数据差异性检验、有无音乐学习经验听者数据差异性检验、根音为低频音和根音为高频音的差异性检验。

22、本发明进一步的技术方案：所述对两组被测试者和两组实验数据进行差异性检测，采用的检验方法包括独立样本t检验和fdr校正，具体为：

23、采用独立样本t检验，分别比较有无音乐学习经验听者在各个时间点以及时频点是否具有显著差异，根音为低频音和根音为高频音的两组实验是否具有显著差异，通过计算t值来进行判断两组数据是否具有差异，包括：

24、步骤5.1：提出要分析的两组数据假设，h0：μ1＝μ2，h1：μ1≠μ2，其中μ1为数据1的均值，μ2为数据1的均均值。

25、步骤5.2：确定检验水平，α＝0.05；

26、步骤5.3：两组数据方差齐，则

27、

28、步骤5.4：当t≥0.05，说明α检验水平下接受原假设，拒绝备择假设，反之亦然；

29、步骤5.6：将总计m次检验结果的p值按从小到大进行排序，k为其中一次检验结果的p值对应的排名，p(k)为第k次检验的原始p值，原始阈值a取0.05，按照公式：

30、p(k)≤a×k/m

31、符合公式时，说明第k次数据检验具有显著性差异，通过fdr校正。

32、本发明进一步的技术方案：所述对脑电图进行事件相关谱扰动ersp分析，具体为：

33、对音程刺激下的脑电数据加窗处理，采用短时傅里叶变换，窗口沿着时间轴向前滑动，每个时间窗内的数据进行同样的处理，得到时频图，时域以及频域变化的信息，其横轴表示时间，纵轴表示频率，每个时频点代表的就是能量值。

34、一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

35、一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

36、本发明的有益效果在于：

37、本发明提出一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法。为了探究人脑对音程的感知效果究竟是先天遗传获得的，还是由后天的专业音乐训练增强的，通过开展音程刺激下的脑电erp实验，提取出两类听者以及两组实验下诱发的晚期响应成分n400和lpc的幅值和潜伏期，在时域波形图、空间脑地形图、十二音程刺激下诱发的成分数据特征以及ersp多个角度分析，进行显著性检验，分析有无音乐学习经验听者的音程感知特点，以及音程根音频率差异对音程感知特性的影响。具体以下优点：

38、(1)对于erp时域波形响应差异图，从图3可以看到：

39、a.有无音乐学习经验听者的差异：在音程根音为低频音时，无音乐学习经验听者的波形整体趋向会略高于有音乐学习经验听者，在刺激后200ms附近具有显著差异。在音程根音为高频音时，有音乐经验听者在诱发的n400和lpc幅值数值(绝对值)要高于无音乐学习经验听者。

40、b.音程根音为低频音和根音为高频音的差异：对于无音乐学习经验听者，根音为低频音和根音为高频音的时域波形响应差异并不明显，对于有音乐学习经验听者，根音为高频音的波形整体趋向高于根音为低频音的响应波形，在刺激后210ms至310ms具有显著差异。

41、(2)对于响应的空间脑地形图，结合图4和图5可以看到：

42、a.n400和lpc的潜伏期均由前脑向后脑区过渡，潜伏期缩短。

43、b.对比n400和lpc成分的响应幅值可见，n400在中央区偏右具有明显响应，lpc在中央区偏左具有明显响应，有音乐学习经验听者具有更强烈的大脑响应。

44、(3)对于时频域分析，结合图6，可以看到

45、a.在350ms～450ms左右，theta波段(4～7.5)和alpha波段(8～13hz)，能量较高，尤其体现在alpha波段，而在高频段的能量较低，并且有音乐学习经验的听者在音程刺激下的能量更强烈。

46、b.在同一组实验里，有无音乐学习经验听者在各个时频点的差异性较大，而同一类听者在根音为低频和根音为高频的两组实验差异并没有那么明显。

47、本发明提出了一种基于音程听觉刺激模式的erp提取与分析方法新颖之处在于三个方面：(1)基于调性音乐音程声物理特性的脑电机制建立脑机接口模态；(2)将有无音乐学习经验作为两个参照维度进行erp参数提取；(3)将音程根音频率作为声刺激参数进行erp特征提取。

48、以上创新点旨在提出调性音乐基本特征单元——音程刺激下诱发大脑听觉神经响应erp成分的提取分析方法。本发明通过理论分析和实验结果验证了该方案的可行性和有效性。