文摘

最近的计算能力激增导致了广泛的方法论的发展和先进的信号处理技术在神经科学中发挥关键性的作用。特别是,大脑信号分析领域的强劲趋势的多维分析大型数据集,例如,高时空分辨率的实验时-频分析录音。在这里,我们描述了免费ELAN软件包提供范围广泛的信号分析工具,用于电生理数据包括头皮脑电图(EEG)、脑磁图(MEG),颅内脑电图,局部场电位(联赛)。ELAN工具箱是基于25年的方法论的发展在里昂和大脑动力学与认知实验室被用在许多论文包括第一脑电图数据的时频分析的研究在人类探索诱发和诱发振荡活动。本文概述了ELAN的概念和功能,突出了其特异性,并描述了其与其它工具箱互补和互操作性。

1。介绍

前所未有的计算能力增加在过去20年里,导致大量发展先进的数据处理和可视化方法。继续蓬勃发展的源源不断的新方法在电生理数据处理领域有着实质性的影响在很多领域包括基本的神经生理学、认知大脑研究和临床神经科学。事实上,近年来,非侵入性技术,如脑电图(EEG)记录或脑磁图描记术(MEG)和侵入性方法,如颅内脑电图(iEEG)或微电极记录(测量局部场电位,联赛)越来越多地依赖于复杂的高分辨率数据集的分析,在多个空间,时间和光谱维度。然而,有吸引力的角度之外的新兴方法的数据应用,许多研究者和临床医生面临的问题方法开发和软件的选择。在这种背景下,通过自由分享现有方法可用的软件包和工具箱将发挥重要的作用,尤其是当结合一个用户友好的环境,计算高效的代码。

ELAN软件包提供了一个广泛的预处理和信号分析工具对于许多类型的电生理数据。数据类型通常与ELAN分析包括宏观表面记录如头皮脑电图(EEG)、脑磁图(MEG),入侵记录,如颅内脑电图(iEEG)在人类(electrocorticographic、ECoG和立体定向EEG)以及局部场电位(联赛)的动物。除了许多基本的信号处理工具电生理数据,ELAN的主要特征包括地形测绘、时频分析、以及适应统计程序,和交互式用户友好的数据集的可视化工具导航,所有用C实现的快速计算。

ELAN工具箱的第一个版本在2001年发布,整合方法论发展的15年INSERM里昂和大脑动力学与认知实验室一直是标准的内部软件分析各种类型的电生理数据。到目前为止ELAN直接合作者和被许可使用的大约20个国家和国际研究实验室。到目前为止,这些方法融入ELAN的使用和报告在100多个出版物在神经科学和电生理学的各个领域。本文的发表,ELAN软件包将成为可供免费下载。ELAN的目标是创建一个社区的开发人员的用户和知识基础的专业知识和交流的继续发展和完善ELAN软件包。

本文的目的是提供一个概览的概念和功能,构建ELAN的结构骨架和优势。我们也强调这个软件的特异性和描述其互补和互操作性与其他现有的工具箱。最新的信息下载、用户指南、教程和其他资源是网上ELAN网站(http://elan.lyon.inserm.fr/)。

2。ELAN软件:概念和功能

在本节中,我们描述了ELAN包的主要功能包括系统需求、总体数据工作流,基本ELAN分析工具和可视化模块,以及兼容性和互操作性问题。

2.1。系统需求

ELAN用于32位和64位Linux操作系统(Debian、Fedora和OpenSuse分布是目前支持,因此大部分的导数的实现,包括Ubuntu和CentOS)。Mac和Windows用户也可以在他们的系统运行ELAN首先安装一个虚拟机运行Linux的客人在他们的首选主机(这样的虚拟化软件的例子包括VirtualBox和VMWare)。最小RAM内存需求是128 MB,但是4 GB强烈推荐。ELAN工具箱可以导入数据从许多商用电生理数据采集设备,包括研究和临床系统。这些包括:阿尔法欧米茄AlphaMap(阿尔法欧米茄、拿撒勒、以色列),Wavemetrics IGOR Pro (Wavemetrics Inc .)、奥斯维戈湖,或者美国),Biosemi (Biosemi,阿姆斯特丹,荷兰),大脑产品记录器(BrainProducts GmbH,慕尼黑,德国),周大福Inc . (VSM医疗技术有限公司,高桂林,公元前,加拿大),Elekta / Neuromag(芬兰赫尔辛基)EGI测地线(电测地线Inc .,尤金,或者美国),脚背系统(脚背系统,渥太华,加拿大),Micromed (Micromed,特雷维索,意大利),Neuroscan(美国弗吉尼亚州Neuroscan Inc .)。此外,从硬件设备超出标准数据格式,ELAN还可以导入数据从许多标准文件格式的转换等ASCII(文本),MATLAB(垫文件),法国电力公司(欧洲数据格式),GDF生物(通用数据格式)。新的数据转换和导入工具不断添加到ELAN包。

2.2。ELAN的工作流

ELAN由编译C程序组成一束数据分析和可视化功能各种电生理数据包括脑电图,梅格,iEEG,联赛,重构时间序列来源,或任何类型的连续信号。所有ELAN功能可以在命令行或批处理模式运行。注意,一些例程(例如,与EEGlab ICA的例程)和提供MATLAB函数(实现。m文件)。在下面,我们将描述主要的数据格式和可视化工具中可用的锐气。

2.2.1。数据和事件的文件类型

ELAN使用三个主要数据格式:(连续数据。脑电图,见图1(),与事件相关的数据。p,见图2),和时频数据(。特遣部队,见图3)。第一,连续数据格式(.eeg)存储任何连续数据和事件代码对应于实验刺激和行为等事件触发器和主体的反应。连续数据可以EEG、MEG、iEEG,联赛(动物数据集分析的例子,请参阅[1,2]),重构时间序列来源,ICA组件,脑电图拉普拉斯算子(见部分2.3。2下面),等等。第二,ELAN通常与事件相关的数据格式(每分钟)平均存储数据,对一个特定的事件。然而,这种相同的格式还可以用于过程时间或频率的各种类型。最后,时频(.tf)数据格式文件存储的时频分析功能的输出锐气。


图1
脑电图描记器连续数据(vizualisation工具。脑电图文件),与颅内听觉eeg信号的一个例子。 设在:时间, 设在:信号幅度,一行每通道。事件显示上下连续脑电图信号,和平均叠加在红色与事件相关的反应。各种绘图工具和在线分析功能可通过菜单(顶部和正确的窗口)。

图2
ERPA平均信号(可视化工具。文件页),头皮听觉erp的一个例子(MMN协议)。主ERPA窗口左上角的窗口:选择文件和启动可视化工具。底部:时间与事件相关的课程(积极)的反应。右上:映射与事件相关的反应,这与几个观点的三个不同的erp的延迟。在windows,数据可视化,绘图函数和动态信号处理工具或测量可以通过顶部的菜单。

图3
TFVIZ时频数据(可视化工具。tf文件),用一个例子的头皮脑电图电动机手指敲击协议。左上:主要TFVIZ窗口中,选择文件,设置vizualisation参数,应用基线校正,等等。顶部中心:可视化窗口选择通道。右上:时频图,这里一个频道的一个文件(特遣部队 设在:时间, 设在:频率、振幅不同颜色)。左下:可视化的时间进程在一个频段信号幅度由两个游标定义TF情节(这显示提供了相同的功能ERPA,见图2)。右下角:地形为一个频带上的游标定义的延迟曲线。这个数字说明了导航的可能性TFVIZ在这个多维数据集(在频率、时间和空间维度)。

除了三个主要的数据类型,ELAN使用两个其他类型的文件:文件和参数文件。事件文件是在标准文本格式(.pos)和存储所有相关信息的事件(如触发器、反应等),发生在一个给定的连续数据集(.eeg)。事件文件可以很容易地修改为了拒绝,集团重新编码,或创建新的事件。

此外,一个典型的调用一个ELAN函数需要的规格参数。这些计算参数存储和传递到函数通过一个参数文本文件(.par)。举例来说,一个参数文件可能包含标志指示使用哪个渠道,时间窗口参数(对指定事件),参数的时频分析或统计分析,等等。

ELAN工具箱的一个重要特征是执行的任何分析结果与活力三个主要的功能总是存储在一个数据格式(.eeg,。p, or.tf),因此,它仍然可以使用ELAN工具处理和可视化。例如,一个特定频带的时间剖面在时频文件(.tf)可以被提取,然后可视化和/或分析作为一个与事件相关的数据文件(每分钟)。同样,重建神经发电机time-courses获得源建模与另一个软件后,转换成一个ELAN文件格式可以在时频域分析原始头皮记录一样。

2.2.2。数据可视化

ELAN包含三种不同的数据可视化图形用户界面(gui)。原则上三ELAN的每一个数据文件格式(见上图)是可视化的专用工具。的脑电图描记器可视化的工具允许连续数据(图1),ERPA该工具用于与事件相关的数据文件(图2),而TFVIZ工具是用来显示时频分析的结果(图3)。这三个观众分享许多常见的功能,如曲线绘制、基于指针的措施,地形映射,等等。

2.3。ELAN工具的概述
2.3.1。数据预处理

许多ELAN工具允许持续(.eeg)数据的预处理,通常表现在进口前的原始数据和主要分析,处理工件,过滤数据,组织事件代码,甚至睡眠阶段。

工件被拒绝。工件可以是手动检测并拒绝通过脑电图描记器可视化工具,或者自动检测和拒绝,使用一个固定的阈值不应超过试验期间(例如,±75μV),或者一系列的变化,不应超过时间窗内(例如,2000英尺的变异在500 ms)。阈值为每个通道可以单独调整。当超过阈值至少在一个频道,完整的审判被拒绝。信息是否一个给定的审判已经保存或拒绝事件存储在文件(.pos)与连续相关数据文件(.eeg),可以可视化脑电图描记器(图4)。


图4
ELAN的概述分析工作流,头皮听觉EEG数据的一个例子。工件拒绝完成自动或者手动和可视化脑电图描记器(上)。信号平均然后执行内部和跨科目(中间),过滤数据的可能性。地形(包括SCDs)可以评估ERPA(左下角,听觉N1)的例子。注意额外额目前汇识别更容易比与潜在SCDs的地图。右下角:统计地图通过比较获得响应的振幅在受试者的延迟两个条件听觉N1(改编自5])。

工件校正。例如使用ICA可以纠正眼工件。这是目前可能通过MATLAB函数提供ICA函数适用于使用免费EEGLab工具箱(ELAN数据文件3]。此外,坏或丢失的数据通道可以使用样条函数插值重建的。

数据过滤。连续和连接时代数据(.eeg),以及与事件相关的数据(每分钟),可以使用专用的ELAN过滤函数,应用巴特沃斯低通,高通,带通或阻带滤波器。此外,任何其他类型的滤波器可以应用如果用户可以提供其系数(计算等与外部工具MATLAB,八度,Scilab,或SciPy)。

睡眠阶段得分。障碍数据(包含脑电图、肌电图,此次信号),ELAN允许方便手动评分的睡眠阶段,在实现脑电图描记器可视化工具导致hypnogram文件(。忧郁、文本文件)。hypnogram可以结合一个事件文件(.pos)使用MATLAB函数,为了分析事件根据睡眠阶段(例如,4])。

事件文件(.pos)预处理。之前数据平均,可以进行一些简单的操作事件文件(.pos)使用ELAN函数,例如改变或重组事件代码,计算反应时间,等等。此外,事件文件是简单的文本文件,可以很容易地编辑和处理,所以可以执行更复杂的事件预处理ELAN之外,例如,使用MATLAB或者简单的电子表格。

2.3.2。时域分析和地形映射

与事件相关的平均和数据分析。连续(可能预处理)数据平均(.eeg)是根据事件位置存储在一个事件文件(.pos),导致一个与事件相关的数据文件(每分钟)为每个事件代码,可以使用可视化ERPA。基线校正可以由减去平均信号在时间窗口相对于感兴趣的事件或相对于另一个事件(例如,平均可以做到相对于主体的反应,使用基线刺激发病前拍的)。许多操作可以执行与事件相关的数据文件(每分钟)使用ELAN功能:过滤(见部分2.3。1),两个文件的减法,平均获得的几个文件,例如,大跨科目平均,等等。可视化与事件相关的time-courses时ERPA,各种各样的振幅和延迟测量可以执行和保存为文本文件进行进一步分析与统计软件。

地形测绘和头皮电流密度与事件相关的信号的分析。梅格的地形与事件相关的脑电图或数据(ERP、小块土地)或其他地形数据(ICA组件等)通过球形样条插值计算7)为每个时间点(或每个组件)和可视化ERPA使用正交或径向投影。ERP映射是10 - 20的参考球面系统上完成的。进一步分析ERP的地形组件,头皮电流密度(SCDs),对应于表面电位分布的拉普拉斯算子,可以计算8- - - - - -10)和可视化ERPA。SCD地图有几个优势潜在的地图:它们允许多个发电机(参见图更容易分离4)和reference-free。他们喜欢浅发电机相对于深的。在锐气,SCDs可以计算与事件相关的数据(每分钟)或连续数据(.eeg)。在后一种情况下,它们可以作为预处理步骤之前,时频分析分离的发电机振动响应(例如,(11])。有可能来自scalp-EEG地图与事件相关的信号,从一个满头磁强计,甚至从电极放在大脑皮层表面的网格在人类或动物。最后,ELAN还包含了特定的工具来评估与事件相关的数据的时空地形颅内电极脑电图(iEEG)获得深度有几个连续的接触(例如,看到时空映射(12])。

2.3.3。时频分析

研究振荡的大脑活动,ELAN计算信号的时频(TF)表示使用小波分析。通常Morlet小波被推荐为他们提供了一个理想的时间和频率分辨率之间的妥协(13]。此外,ELAN还允许使用伽柏TF分析变换的信号。一般来说,时频功率计算每一个审判独立(使用。脑电图和。pos文件),然后在试验平均收益率两stimulus-evoked TF地图和诱导(存储在一个活动。tf文件)。分离这两个组件的响应,ELAN(图提供了许多有用的功能5)。例如,ELAN可以计算测量称为刺激锁相因子(或intertrial一致性)在TF域(见,例如,14])。此外,ELAN允许诱发响应(的减法。文件页)在每一个试验之前TF变换。此外,TF表达诱发反应可以直接计算。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图5
时频分析:诱发和诱发振荡活动的离解梅格对听觉刺激的反应的一个例子。左上:TF地图获得单一试验平均小波变换后,它包含诱发和诱导反应。右上:刺激锁相的因素。每一个试验阶段的反应相对于一个事件(这里的听觉刺激)计算,和稳定的阶段试验表示。锁相接近0的活动不锁相刺激也被称为诱导活动,和更大的刺激阶段锁定值(1)描述刺激锁相活动(诱发反应)。左下:TF地图得到小波变换后的平均诱发反应,反映主要诱发活动。右下角:时间课程的20 - 30赫兹频段平均振荡功率(红色),诱发振荡功率(蓝色),刺激锁相的因素(绿色)。第一个峰值振荡反应的~ 100 ms可以确认为唤起,而第二个500毫秒左右诱导。
2.3.4。信道间的同步分析

ELAN也可以用来计算之间的耦合双通道使用阶段同步措施在时频域(15)(见,例如,6)和图6)。相位同步的一个优点是,它是独立于信号振幅。然而,敏感数据的信噪比(信噪比)。进一步耦合等措施连贯性和cross-frequency分析在未来的发展将被添加到工具箱中。用户应该记住的一般问题和局限性,适用于所有措施的耦合,包括虚假的连接,会导致在传感器领域传播水平(16]。


图6
TF同步分析,视觉刺激后颅内脑电图活动的一个例子。中间面板代表TF权力两个记录网站枕外侧沟(左)和梭状回(右)。相位同步两个站点之间的计算为每个审判和平均(左下角)。使用随机化的同步值评估统计意义(右下角)。中可观察到显著的耦合β频带(改编自6])。
2.4。个人和组级别统计

正如上面提到的,可以提取振幅和延迟与事件相关的响应(见部分2.3。2)统计分析与专门设计的例程或其他商业软件。此外,ELAN本身提供了大量可能性逐点进行统计分析(即。,one statistic is computed for each sample of each channel in the time domain, and for each sample and each frequency of each channel in the time-frequency domain), both within and between subjects. The currently available statistics are mostly nonparametric and randomization tests, which have larger domains of validity than their parametric counterparts. Specific tools using randomization methods have been developed in ELAN to test multisensory interactions using an additive model [12,17,18]。

处理多重比较的几个战略问题是可能的,这取决于特定的测试执行:Bonferroni调整,错误检测率(罗斯福)校正19ELAN中实现,或者申请每个通道一个阈值连续的最低数量的样品 价值低于。05(或任何其他预设α水平)是观察到考虑为近似值影响显著(见[20.];这样最大统计计算ELAN在使用随机化测试)。输出(例如, 值)的统计分析项目ELAN总是存储在一个ELAN文件格式,因此可以使用可视化ERPA,或TFVIZ在时间、空间和时频域。

2.4.1。试分析Across-Trial统计

从连续的数据(实验数据中提取。脑电图文件)使用事件文件(.pos)为一个主题。在时域中,出现的反应相对于基线可以执行使用Wilcoxon paired-value测试(或参数 相比测试),条件可以利用克鲁斯卡尔-沃利斯测试或随机测试。类似的计算可以在时频域(对每个样本和测试执行频率为每个通道),外加随机统计测试反应器内同步(示例图6)。

2.4.2。Across-Subject组级别的统计数据分析

(与事件相关的响应。文件页)在时域条件之间可以比较一组受试者使用Wilcoxon paired-value测试(示例图4)、Quade测试或随机测试,对比对象利用克鲁斯卡尔-沃利斯测试组。在时频域中,配对条件可以比较一组受试者使用Wilcoxon或Quade测试。

2.5。互操作性和MATLAB的兼容性

ELAN与MATLAB完全兼容。输入和输出函数(读/写)数据导入和导出到MATLAB可供所有三个ELAN数据格式(例如,eeg2mat。米,mat2tf。米,mat2ep。米,等等)。此外,ELAN还可以导出数据等基于matlab工具箱SPM,实地考察和肉豆蔻。数据导出功能等工具箱EEGLab和头脑风暴,以及一系列的额外进口例程将很快上市。

3所示。讨论

3.1。优势和活力的特异性

活力是一个工具箱,允许分析几乎任何类型的电生理学的连续信号(EEG、MEG、iEEG、ECoG LFP,等等)。ELAN 25年的方法学家之间的相互作用的结果,软件开发人员和用户,这导致了一个健壮的和有用的函数集在神经生理学涵盖了广泛的应用。关于类型的ELAN可以执行数据处理和分析,其主要优点是数据的一个简单的预处理,先进scalp-level地形测绘、时频分析和适当的非参数和随机统计数据。计算与命令行程序很容易运行脚本。的两个主要优势ELAN收购和加工的用户友好的导航数据通过三个互动成为可能的观众(脑电图描记器,ERPA,TFVIZ一方面和另一方面的快速计算。高处理速度是通过优化算法和编译C代码。这是特别重要的时频分析和相关统计数据。几个计算密集型程序进一步可以使用运行分布式计算根据MPI标准。除了进口程序读取数据从许多商业脑电图或梅格系统、I / O MATLAB函数可用于所有ELAN数据格式,和我们正在增加I / O功能等其他分析工具箱提供互补功能源建模(SPM、头脑风暴、实地考察等)。未来的实现额外的功能优化的实时分析目前正在开发。ELAN代码用C编写的速度是非常理想的实时需要电生理信号的在线处理的应用程序,如脑机接口(BCI)系统。此外,相比之下,选择免费的工具箱,ELAN不需要购买一个MATLAB许可。除了作为一个重要的参数对一些实验室有限的金融资源,ELAN独立于MATLAB这一事实也意味着它不受变化的影响不同的MATLAB版本之间发生。事实上,向后兼容性在活力是我们发展政策的一个重要方面。 Finally, as mentioned above, a further specificity of ELAN is the availability of a simple and straight-forward tool for manual sleep stage scoring based on polysomnographic data (i.e., combination of EEG, EMG and EOG signals acquired during sleep).

3.2。当前的限制

在数据分析方面,ELAN当前的限制之一是缺乏source-reconstruction项目脑电图/梅格。但是正如上面提到的,它是可能的出口数据已经预处理ELAN source-modelling程序的其他软件包。相反地,由此产生的来源获得的时间序列与其它工具箱可以进一步分析导入ELAN (MATLAB函数转换从一个模板。垫。脑电图与ELAN文件格式提供)。例如,源代码级时间序列估计使用头脑风暴或SPM可以很容易地导入ELAN时频分析和统计测试。还请注意,ELAN库和头文件可用在ELAN分布包中,有限的文档。此外,在用户请求特定的转换文件特定源代码级别的数据格式与其它工具箱(获得)可能可用。ELAN目前不是开源,因为源代码的可读性(即需要改善。,清理变量名,提高代码的可解释性和架构)。然而,它已经容易实现合理灵活的定制基于MATLAB工具箱的接口或独立C例程,阅读和写作ELAN文件格式。

3.3。软件访问和支持

ELAN软件包通过ELAN可以下载免费的网络平台http://elan.lyon.inserm.fr/。详细的文档可供所有ELAN例程,在网站上或为pdf文件。虽然目前只有有限的在线支持提供,我们的目标是增强支持尤其是通过创建一个社区的用户交换信息通过专用的ELAN网站论坛。我们希望内部持续发展和不断增长的知识库将提高质量、灵活性和锐气的用户友好性。用户邮件列表和ELAN通讯还提供了ELAN软件的用户提供最新的信息更新,获得额外的插件,bug报告。未来的计划之一是释放ELAN源代码以促进社区的新发展和交流经验。最重要的是,我们将继续提高ELAN的互操作性与其他免费的工具箱,以加强互动,培养科学交叉渗透。我们希望ELAN将增长的积极贡献者共同努力在社区内的方法开发人员,程序员,神经学家显著改善神经生理学的权力和可靠性数据分析工具多年来。

确认

ELAN的发展多年来一直强烈的协同工作的结果由许多成员INSERM的实验室。除了作者,它涉及了弗朗索瓦佩兰(__),雅克•Pernier Marc Thevenet让Echallier, Marie-Helene Giard,弗兰克Peronnet,朱利安Besle ERP地形测绘和相关统计数据;凯瑟琳Tallon-Baudry和克劳德Delpuech时频和实验分析;布莱斯Yvert,安妮Cheylus Emmanuel也许,多米尼克•Morlet和贝利Gilles许多信号处理和可视化的实现方法。