静息态ICA处理
ICA算法介绍范文
ICA算法介绍范文在许多实际问题中，观测信号是由多个源信号的叠加或混合而成的。
比如，在人脑磁图（MEG）或脑电图（EEG）信号处理中，我们需要从观测到的信号中分离出不同的大脑活动；在语音信号分析中，我们需要从麦克风接收到的信号中提取出不同的说话者的语音。
这些问题都是典型的盲源分离问题，而ICA算法就是为了解决这类问题而提出的。
ICA算法的基本思想是：假设观测信号为X，源信号为S，我们的目标是找到一个称为混合矩阵A的线性变换，使得X=AS。
在这个变换过程中，我们没有任何先验知识可用，也不知道混合矩阵A的具体形式。
因此，ICA算法需要利用统计特性来进行盲源分离。
1.数据预处理：对观测信号进行预处理，包括归一化和去均值操作。
2.中心化：将预处理后的信号中心化，使得每个维度的样本均值为0。
3.盲估计混合矩阵：ICA算法中最重要的步骤是估计混合矩阵A，这可以通过最大似然估计、最小化高斯性等方法来实现。
4.盲分离源信号：利用估计的混合矩阵A对观测信号进行盲分离，得到独立成分S。
5.重构原始信号：通过混合矩阵A的逆矩阵，将独立成分S重构为原始信号。
总结来说，ICA算法通过寻找最大非高斯性原理，通过线性变换将观测信号分解为一组相互独立的子信号，达到信号分离的目的。
ICA算法的优势在于它不需要任何先验知识，可以有效分离非高斯信号，并具有良好的鲁棒性和实时性。
然而，ICA算法也存在一些限制。
首先，ICA算法对信号的线性独立性假设要求较高，当信号之间存在非线性关系时，可能会导致分离效果不佳。
其次，ICA算法在处理问题时需要估计混合矩阵A，当观测信号的维度较高时，估计复杂度会变得很高。
此外，ICA算法对观测信号的分布假设也有一定的限制，当信号的分布不满足ICA算法的假设时，可能会导致分离效果不佳。
综上所述，ICA算法是一种常用的信号分离方法，通过寻找最大非高斯性原理，可以将观测信号分解为相互独立的子信号。
它在信号处理、数据挖掘和机器学习等领域有广泛应用，并不断发展和完善。
独立分量分析(ICA)简单认识
ICA (Independent Components Analysis)，即独立分量分析。
它是传统的盲源分离方法，旨在恢复独立成分观测的混合物。
FastICA是一个典型的独立分量分析(ICA)方法。
它是信号盲处理的基础，对信号独立分量分析的检测是信号盲处理的起点。
现有的信号盲处理的算法，大都是基于独立分量分析的，通过对独立分量分析的研究就可以把这些算法统一起来。
一、信号分类：1.无噪声时：假设混叠系统由m个传感器和n个源信号组成，并且源信号与观测信号遵从如下所示的混叠模型：x(t)=As(t)，其中，x(t)=[x1(t),x2(t),...,x m(t)]T表示m维观测信号矢量；A为m*n维混叠权系数为未知的混叠矩阵；n个源信号的组合为：s(t)=[s1(t),s2(t),...,sn(t)]T2.有噪声时：若考虑噪声的影响，则有：x(t)=As(t)+n(t)，其中，从m个传感器采集来的噪声集合为：n(t)=[n1(t),n2(t),...,n m(t)]T针对式子：x(t)=As(t)+n(t)独立分量分析(ICA)就是要求解分离矩阵W，使得通过它可以从观测信号x(t)中恢复出未知的源信号s(t)，分离系统输出可通过下式表示：y(t)=Wx(t)其中，y(t)=[y1(t),y2(t),…,y n(t)]T为源信号的估计矢量，即：y(t)=S(t)二、用ICA方法的信号分析——基于小波变换和ICA的分离方案（分离步骤）首先介绍下语音分离的大体思路。
先采用小波变换对各个带噪混叠语音进行预消噪处理，然后进行预处理，最后用ICA的方法对消噪后的混叠语音进行分离；最后根据分离信号的特点进一步提出对其进行矢量归一和再消噪处理，最终得到各个语音源信号的估计。
1.预消噪处理——小波变换这里采用的是小波阈值法去噪，它类似于图像的阈值分割。
（阈值就是临界值或叫判断设定的最小值）设带噪语音信号为: f(t)=As(t)+n(t)，式中: s(t)是纯语音信号, n(t)为噪声。
静息态功能磁共振数据分析工具包使用手册
静息态功能磁共振数据分析工具包使用手册宋晓伟（Dawnwei.song@）文档版本: 1.3文档修订日期: 2008-2-25北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室目录一、开发背景介绍 (1)二、软件用途和技术特点 (4)三、设计与实现 (4)四、测试 (5)五、使用要求 (5)六、使用方法演示 (6)(一)计算功能连接 (7)(二)计算局部一致性 (9)(三)计算低频振幅 (11)七、详细使用说明 (13)(一)安装REST (13)(二)卸载REST (13)(三)启动REST (13)(四)在REST中设置待处理的数据目录 (16)(五)Mask 的设定 (16)(六)在REST中设定输出参数 (17)(七)可选项：去线性漂移 (18)(八)可选项：滤波 (19)(九)局部一致性计算参数的设定 (20)(十)低频振幅计算参数的设定 (21)(十一)功能连接参数的设定 (21)(十二)点击“Do all”开始计算 (23)(十三)耗时估计 (24)(十四)其它工具 (24)八、附注说明 (26)九、参考文献 (28)一、开发背景介绍大脑是人体中最迷人也是人们了解最少的部分，科学家哲学家们一直在寻找大脑与行为、情感、记忆、思想、意识等的关系，却缺少一个非侵入性的高分辨率的技术方法来直接观察并确立这种联系，直到上世纪末功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）的出现（Ogawa et al., 1990），既能让人们观察到大脑结构又能让人们观察大脑结构的某一部分所具有的特定功能（Clare, 1997）。
fMRI机制是血氧水平依赖性（Blood oxygen level dependent, BOLD）信号的变化。
目前认识到的大多数的脑功能都是通过对任务或刺激的控制，并同时记录与任务或刺激相应的行为学上的变化和神经活动的变化来得到的。
基于功能磁共振成像的静息态脑网络研究方法
心电子信息科技风2021年4月DOI：10.19392/ki.1671-7341.202111042基于功能磁共振成像的静息态脑网络研究方法薛婷唐俊李明昕陶占龙内蒙古科技大学理学院内蒙古包头014010摘要：大脑在静息状态下仍存在许多重要的神经活动，脑区之间仍存在不间断的信息传递，构成功能连接并由此构成脑网络。
静息态脑功能网络分析，由其具有相对简单的计算且具有重大临床意义，已广泛应用于多种脑疾病的研究中。
本文从信息计算的角度，总结了近年来静息态脑网络研究中的经典算法。
关键词：功能磁共振成像;静息态；脑网络大脑是极为高效和精密的信息处理系统，不仅掌握语言、思维、情绪等高级活动,也是信息储存、加工和整合的中枢。
神经元是大脑活动的基本单元，通过神经突触的彼此连接形成神经通路，完成对信息的加工处理⑴&在此过程中，神经元之间或神经元集群之间的连接模式构成了脑网络，掌握脑网络的连接模式对于理解大脑的运转机制具有重要意义。
影像学技术的发展应用极大丰富了科研人员的脑网络研究手段。
近年来，静息状态下脑功能网络的研究受到广泛关注。
相较于任务态，静息态可避免由被试完成任务的差异性所导致的结果不可靠。
因此,越来越多的学者开始关注静息态下脑功能网络的活动模式。
本文主要针对静息态下脑功能网络的研究方法进行综述。
一、基于种子点的功能连接分析方法该方法是一种模型依赖方法(model-based),通常首先选择特定脑区作为感兴趣区域(region of interest，ROt)，即种子点。
然后计算该种子点与其他脑区的血氧水平依赖信号之间的时间相关性。
如计算岀某个脑区与该种子点之间的血氧水平依赖信号时间相关性较强，则可认为该脑区与种子点之间存在功能连接基于种子点的功能连接分析方法得到的结果易于理解，但种子点的选择没有固定标准,具体的选择过程很大程度取决于实验设计人员，通常依据先验知识或功能定位来选定。
种子点的选择至关重要,研究者选择的偏向性将直接影响研究结果。
静息态脑功能磁共振简介
DWI、DTI、BOLD-fMRI……
• 分子水平研究：MRS
BOLD（BLOOD OXYGENATION LEVEL DEPENDENT ）fMRI技术：
通过血氧水平改变产生的磁共振信号变化来反映脑区活动状况的功
能磁共振技术。
基础状态
激活状态 血流量增加 Hbr减少 MRI信号增高
正常血流
基础水平Hbr 基础水平MRI信号
0.01-0.08Hz
1.25 Hz
ALFF的生理意义 —一段时间内自发神经活动的“程度”
区域一致性（Regional Homogeneity ，ReHo) • 在一个功能区内时间序列的相似性或一致性
Similarity or coherence of the time courses
within a functional cluster. (Zang et al., 2004, NeuroImage)
BOLD-fMRI反映了什么？
BOLD-fMRI反映了什么？
BOLD信号的改变
血流动力学改变 ？ 神经元活动的改变
任务状态fMRI
• 组块设计（block design）
• 事件相关设计（event-related design）
• ……
任务状态功能磁共振的优点
• 可直接反映任务效应
• 个体研究
ReHo: 运动任务状态 VS.静息状态
Rest > Motor Motor > Rest
a)在运动任务状态下，双侧运动皮层的ReHo值高于静 息状态。 b) 在静息状态下，默认网络(PCC, MPFC, IPL)的ReHo值 较高(Raichle et al., 2001; Greicius et al., 2003)
基于脑电的静息态功能连接分析
随着脑成像技术的发展，人们对大脑功能的研究越来越深入， 并逐渐从定位特殊功能脑区转变为研究脑功能连接。静息态是 大脑不执行具体的认知任务，保持安静、放松、清醒的一种状 态，息态功能连接能体现大脑最本质、固有的连接模式，已 成为近年来脑功能连接研究的热门课题之一。
目前国内外研究脑静息态功能连接主要以功能磁共振成像 （fMRI）技术为手段，fMRI具有很高的空间分辨率，能得到静 息态功能连接与脑解剖学结构连接之间的密切联系，但是fMRI 设备昂贵，对实验数据采集环境要求很高，特别是其时间分辨 率很低，对于脑科学研究存在不便。而脑电图（EEG）作为一种 普遍的监测大脑活动的工具，具有很高的时间分辨率，对采集 环境无特殊要求，是脑科学研究的传统手段之一。
在基于脑电的α 波静息态动态功能连接方面，在对闭眼和睁眼 状态下的64电极静息态脑电数据进行分析中引进了滑动时间窗
的方法，探索了α 波在闭眼和睁眼状态下多个静息态脑网络随 时间的动态变化，如默认网络、视觉联合皮层、体感皮层、视
觉性语言中枢、语义加工皮层等。该结论极大丰富了脑电α 波 静息态功能连接的结论。
在基于脑电的α 波静息态功能连接方面，通过对闭眼和睁眼状 态下的64电极静息态脑电数据进行分析，得到结论：α 波在睁 眼状态下的功能连接明显多于闭眼状态，静息态网络中默认网 络和背侧注意网络在睁眼状态显著，同时睁眼状态下视觉联合 皮层功能连接突出。该结论弥补了已有研究中脑电数据电极太 少（19电极）的不足，提高了相关结论的可靠性。
采用EEG研究脑静息态功能连接能弥补fMRI研究脑静息态功能连 接在时间分辨率上的不足，而且对于无法适应fMRI狭小检测空 间的脑疾病患者也能方便地监测其大脑活动，因此基于脑电的 静息态功能连接研究有重要的科研和临床意义。本文采用独立 成份分析（ICA）、标准低分辨率电磁断层成像（sLORETA）、 滑动时间窗、图论、层次聚类分析、t检验等方法和理论对基于 脑电的静息态功能连接展开研究，分析了25个健康被试在闭眼 和睁眼状态下的64电极静息态脑电数据，研究了闭眼和睁眼状 态下α 波（8-12Hz）和β 波（13-25Hz）脑静息态功能连接，并 探索了α 波静息态动态功能连接，揭示了静息态网络在时间和 空间上的动态变化，主要取得了以下三方面的成果。
ICA介绍以及背景
ICA介绍以及背景独立分量分析(independentcomponentanalysis,ICA)方法是从一组观测信号中提取统计独立分量的方法。
因为用这种方法分解出的各信号分量之间是相互独立的,而测得的脑电信号往往包含若干相对独立的成分,所以用它来分解脑电信号,所得的结果更具有生理意义,有利于去除干扰和伪差。
本文简要地回顾了ICA的发展历史和主要算法,综述了它在脑电信号处理中的应用及研究进展,并指出了需要进一步研究解决的问题。
独立成分分析(ICA)是一项把混合信号分解成具有统计独立性成分的新技术。
ICA近年已在生物医学和雷达等领域的信号分离中展示了很好的应用前景。
我们比较系统地介绍了ICA 的基本原理、主要算法、应用和将来ICA研究的发展方向,旨在进一步推动有关的理论与应用研究工作ICA(独立成分分析)是一种将混合信息分解为几个统计独立成分的线性组合的新方法,它能够有效地提取混合信息的主要特征。
通过对过程数据进行ICA分析,确定独立元,建立独立成分模型,利用统计量控制界限值和变量对统计量的贡献率监测生产过程状态,并对于异常状态给出引起异常的原因。
在聚合反应过程中的应用说明了该方法用于对生产过程进行监控与故障诊断的有效性。
独立成分分析(ICA)是一项把混合信号分解成具有统计独立性成分的新技术.ICA近年已在生物医学和雷达等领域的信号分离中展示了很好的应用前景.我们比较系统地介绍了ICA的基本原理、主要算法、应用和将来ICA研究的发展方向, 旨在进一步推动有关的理论与应用研究工作.摘要人类对技术的追求永无止境，保障生产安全和减小产品质量波动一直是工业生产过程的两大追求目标。
在工业生产过程中，及时有效地发现、检测和修复过程故障是提供性能优良、品质一致产品的先决条件，这也是进行工业过程监控的目的和动机。
工业过程监控技术从单变量过程监控算起，已有近七十多年的历史，但基于多变量信息的过程监控技术至今也不过十几年的时间。
静息态功能磁共振数据分析工具包使用手册
静息态功能磁共振数据分析⼯具包使⽤⼿册静息态功能磁共振数据分析⼯具包使⽤⼿册宋晓伟（Dawnwei.song@/doc/5a794cd5240c844769eaee26.html ）⽂档版本: 1.3⽂档修订⽇期: 2008-2-25北京师范⼤学认知神经科学与学习国家重点实验室⽬录⼀、开发背景介绍 (1)⼆、软件⽤途和技术特点 (4)三、设计与实现 (4)四、测试 (5)五、使⽤要求 (5)六、使⽤⽅法演⽰ (6)(⼀)计算功能连接 (7)(⼆)计算局部⼀致性 (9)(三)计算低频振幅 (11)七、详细使⽤说明 (13)(⼀)安装REST (13)(⼆)卸载REST (13)(三)启动REST (13)(四)在REST中设置待处理的数据⽬录 (16)(五)Mask 的设定 (16)(六)在REST中设定输出参数 (17)(七)可选项：去线性漂移 (18)(⼋)可选项：滤波 (19)(九)局部⼀致性计算参数的设定 (20)(⼗)低频振幅计算参数的设定 (21)(⼗⼀)功能连接参数的设定 (21)(⼗⼆)点击“Do all”开始计算 (23)(⼗三)耗时估计 (24)(⼗四)其它⼯具 (24)⼋、附注说明 (26)九、参考⽂献 (28)⼀、开发背景介绍⼤脑是⼈体中最迷⼈也是⼈们了解最少的部分，科学家哲学家们⼀直在寻找⼤脑与⾏为、情感、记忆、思想、意识等的关系，却缺少⼀个⾮侵⼊性的⾼分辨率的技术⽅法来直接观察并确⽴这种联系，直到上世纪末功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）的出现（Ogawa et al., 1990），既能让⼈们观察到⼤脑结构⼜能让⼈们观察⼤脑结构的某⼀部分所具有的特定功能（Clare, 1997）。
fMRI机制是⾎氧⽔平依赖性（Blood oxygen level dependent, BOLD）信号的变化。
⽬前认识到的⼤多数的脑功能都是通过对任务或刺激的控制，并同时记录与任务或刺激相应的⾏为学上的变化和神经活动的变化来得到的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 一般IC可以从最小的选择 起，如这里选择27，最后 看分出的效果，不好再改 变。 • 其他的选项选择默认不变 就可以了。 • 点击Done 下一栏的所有 选项也保持默认不变 直接 点击Done。 • 最后在输入路径中会生成 一个文件： componet_ica_parameter _info.mat
网络一般的构建方法与常用的分析：
提取ICs时间序列
滤波 IC之间相关性计算 节点分析（就某一IC对其时间 序列进行组间组内统计对比）
关系矩阵
二值化
边的分析（就某一构造的权重网 络进行组间组内统计对比）Fra bibliotek二值矩阵
二值网络
网络分析（节点的局部\全局网 络属性、网络的属性、小世界属 性...）
难点概括：
• 软件包如同SPM 只需添加到matlab搜索路 径中保存然后在matlab中输入：gift 即可调 用。 • 其使用说明书和相关文档： v1.3h_GIFTManual.pdf v1.3h_GIFT_Walk_Through.pfd
主界面
导入数据以及参数选择
• setup ICA Analysis 选择输出路径 • 注意： （每个被试的数据有一个文件夹，然后将所 有文件夹放在同一个路径下）就是选择这 个路径。 选择好后 Directories selected：1
• 1.ICA成分数的确定及成分的挑选; • 2.节点、边、网络的差异的意义及解释。 解决办法（多读相关的方法以及问题类的文 献、多总结经验。）
• 第一行：选择输入文 件前缀（按个人习惯） • 第二行：选择要处理 的数据，点入： • Is your data stored in one folder？ • 选择No（因为你的每 一个被试都有一个文 件夹）
• 被试数目选择：（即 所有被试数目总数） • Session处选择1，这 里每个被试只有一个 数据集（即我们说的 一个run） • 点ok
• 选则好数据后一般是 要估计成分数的。 • 这里虽然给出了一个 默认的20个IC 但是在 上面一个选项中要选 择yes，来估计IC数目。
• 这就是估计出来的IC 数目： • 平均数目为36，最小 的为27，最大的为54；
• Number of IC ，这里的选 择是不确定的，具体填多 少要看最后分出来的效果， 即，要与研究的问题相结 合。 • 一般来讲；要求分出： DMN（默认模式网络）、感 觉网络、自参考网络、视 觉网络、听觉网络、运动 网络…当然还必须包括你 要研究的ICs；当然取的成 分数过多就会将这些网络 细分开。
静息态fMRI的ICA 处理方法及 流程
20120709
涂世鹏
fMRI 数据预处理
• 用spm做预处理： slice timing realign(Est&Res) Normalise(Est&Wri) Smooth • 无需去协变量 全脑均值 • ICA使用的是smooth之后的数据。
使用GIFT软件做独立成分分割
• 左边一栏为所有被试 的数据输入的入口， 从第一个起逐一选择 每一个被试：点击 Subject … Session 1， 变蓝 下面点击 Subject1Session1 选择第一个被试的数据
• 在左栏找到第一个被试的 文件夹点入，右边即显示 了： • [1:200]swrasub01_run1_* img,1 • 这说明第一个被试有一个 run，200个时间点，点击 一下右边呈蓝色，则Files Selected：200 表示选中 了第一个被试的这200个 时间的数据。 • 其他被试操作相同直到所 有被试的数据都选中好。
• 在主菜单栏中选择： Run Analysis，出现右 边的选框 然后选择刚才生成 的.mat参数文件，如 蓝色 点击ok即可。
• 选择 All*** 即可。
• 至此，已经完成了， 数据的导入和输出。 耐心等待它的处理。
• 先选中Component变 绿，然后选择右下方 的Display 即可以看到 我们前面选择的27个 成分的空间解剖分布 及其对应的时间序列：
按解剖细节区分各个成分 ……
ICA后处理
• 选择和确定好要研究的IC • 这里IC相当于大脑之中的功能子网络，当然，作 为更大尺度的网络来看，各个功能子网络之间也 是相关的，根据这种相关程度可以构建更大尺度 的网络并进一步进行分析： • 第一步：对要考察的各个成分的时间序列进行滤 波0.01到0.8Hz； • （如要做全脑尺度的网络，选的IC比较多，简单 的办法是使用功率谱分析，排除非功能网络IC）