neurokit2

NeuroKit2

概述

NeuroKit2 是一款全面的 Python 工具包，用于处理和分析生理信号（生物信号）。使用此技能处理心血管、神经、自主神经、呼吸和肌肉信号，适用于心理生理学研究、临床应用和人机交互研究。

何时使用此技能

在处理以下内容时使用此技能：

• 心脏信号：ECG、PPG、心率变异性（HRV）、脉搏分析
• 脑信号：EEG 频段、微状态、复杂度、源定位
• 自主神经信号：皮肤电活动（EDA/GSR）、皮肤电反应（SCR）
• 呼吸信号：呼吸频率、呼吸变异性（RRV）、单位时间呼吸量
• 肌肉信号：EMG 振幅、肌肉激活检测
• 眼动追踪：EOG、眨眼检测与分析
• 多模态整合：同时处理多种生理信号
• 复杂度分析：熵度量、分形维数、非线性动力学

核心功能

1. 心脏信号处理（ECG/PPG）

处理心电图和光电容积描记信号，用于心血管分析。详细工作流请参阅 references/ecg_cardiac.md。

主要工作流：

• ECG 处理流程：清理 → R 峰检测 → 波形界定 → 质量评估
• 在时域、频域和非线性域进行 HRV 分析
• PPG 脉搏分析与质量评估
• 提取 ECG 衍生呼吸信号

主要函数：

import neurokit2 as nk

# Complete ECG processing pipeline
signals, info = nk.ecg_process(ecg_signal, sampling_rate=1000)

# Analyze ECG data (event-related or interval-related)
analysis = nk.ecg_analyze(signals, sampling_rate=1000)

# Comprehensive HRV analysis
hrv = nk.hrv(peaks, sampling_rate=1000)  # Time, frequency, nonlinear domains

2. 心率变异性分析

根据心脏信号计算全面的 HRV 指标。所有指数和领域特定分析请参阅 references/hrv.md。

支持的领域：

• 时域：SDNN、RMSSD、pNN50、SDSD 及衍生指标
• 频域：ULF、VLF、LF、HF、VHF 功率及比值
• 非线性域：庞加莱图（SD1/SD2）、熵度量、分形维数
• 专用分析：呼吸性窦性心律不齐（RSA）、复现量化分析（RQA）

主要函数：

# All HRV indices at once
hrv_indices = nk.hrv(peaks, sampling_rate=1000)

# Domain-specific analysis
hrv_time = nk.hrv_time(peaks)
hrv_freq = nk.hrv_frequency(peaks, sampling_rate=1000)
hrv_nonlinear = nk.hrv_nonlinear(peaks, sampling_rate=1000)
hrv_rsa = nk.hrv_rsa(peaks, rsp_signal, sampling_rate=1000)

3. 脑信号分析（EEG）

分析脑电图信号的频率功率、复杂度和微状态模式。详细工作流和 MNE 集成信息请参阅 references/eeg.md。

主要功能：

• 频段功率分析（Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma）
• 通道质量评估与重新参考
• 源定位（sLORETA、MNE）
• 微状态分段与转换动力学
• 全局场功率与差异度量

主要函数：

# Power analysis across frequency bands
power = nk.eeg_power(eeg_data, sampling_rate=250, channels=['Fz', 'Cz', 'Pz'])

# Microstate analysis
microstates = nk.microstates_segment(eeg_data, n_microstates=4, method='kmod')
static = nk.microstates_static(microstates)
dynamic = nk.microstates_dynamic(microstates)

4. 皮肤电活动（EDA）

处理皮肤电导信号，用于评估自主神经系统。详细工作流请参阅 references/eda.md。

主要工作流：

• 将信号分解为紧张性和时相性成分
• 检测并分析皮肤电反应（SCR）
• 计算交感神经系统指数
• 自相关与变点检测

主要函数：

# Complete EDA processing
signals, info = nk.eda_process(eda_signal, sampling_rate=100)

# Analyze EDA data
analysis = nk.eda_analyze(signals, sampling_rate=100)

# Sympathetic nervous system activity
sympathetic = nk.eda_sympathetic(signals, sampling_rate=100)

5. 呼吸信号处理（RSP）

分析呼吸模式和呼吸变异性。详细工作流请参阅 references/rsp.md。

主要功能：

• 计算呼吸频率并分析其变异性
• 评估呼吸振幅与对称性
• 单位时间呼吸量（fMRI 应用）
• 呼吸振幅变异性（RAV）

主要函数：

# Complete RSP processing
signals, info = nk.rsp_process(rsp_signal, sampling_rate=100)

# Respiratory rate variability
rrv = nk.rsp_rrv(signals, sampling_rate=100)

# Respiratory volume per time
rvt = nk.rsp_rvt(signals, sampling_rate=100)

6. 肌电图（EMG）

处理肌肉活动信号，用于激活检测和振幅分析。工作流请参阅 references/emg.md。

主要函数：

# Complete EMG processing
signals, info = nk.emg_process(emg_signal, sampling_rate=1000)

# Muscle activation detection
activation = nk.emg_activation(signals, sampling_rate=1000, method='threshold')

7. 眼电图（EOG）

分析眼球运动和眨眼模式。工作流请参阅 references/eog.md。

主要函数：

# Complete EOG processing
signals, info = nk.eog_process(eog_signal, sampling_rate=500)

# Extract blink features
features = nk.eog_features(signals, sampling_rate=500)

8. 通用信号处理

对任意信号执行滤波、分解和变换操作。完整实用工具请参阅 references/signal_processing.md。

主要操作：

• 滤波（低通、高通、带通、带阻）
• 分解（EMD、SSA、小波）
• 峰值检测和校正
• 功率谱密度估计
• 信号插值和重采样
• 自相关和同步性分析

主要函数：

# Filtering
filtered = nk.signal_filter(signal, sampling_rate=1000, lowcut=0.5, highcut=40)

# Peak detection
peaks = nk.signal_findpeaks(signal)

# Power spectral density
psd = nk.signal_psd(signal, sampling_rate=1000)

9. 复杂度与熵分析

计算非线性动力学、分形维数和信息论指标。所有可用指标请参阅 references/complexity.md。

可用指标：

• 熵：香农熵、近似熵、样本熵、排列熵、谱熵、模糊熵、多尺度熵
• 分形维数：Katz、Higuchi、Petrosian、Sevcik、关联维数
• 非线性动力学：Lyapunov 指数、Lempel-Ziv 复杂度、递归量化
• DFA：去趋势波动分析、多重分形 DFA
• 信息论：Fisher 信息、互信息

主要函数：

# Multiple complexity metrics at once
complexity_indices = nk.complexity(signal, sampling_rate=1000)

# Specific measures
apen = nk.entropy_approximate(signal)
dfa = nk.fractal_dfa(signal)
lyap = nk.complexity_lyapunov(signal, sampling_rate=1000)

10. 事件相关分析

围绕刺激事件创建分段，并分析生理反应。工作流请参阅 references/epochs_events.md。

主要功能：

• 根据事件标记创建分段
• 事件相关平均和可视化
• 基线校正选项
• 计算带置信区间的总平均

主要函数：

# Find events in signal
events = nk.events_find(trigger_signal, threshold=0.5)

# Create epochs around events
epochs = nk.epochs_create(signals, events, sampling_rate=1000,
                          epochs_start=-0.5, epochs_end=2.0)

# Average across epochs
grand_average = nk.epochs_average(epochs)

11. 多信号整合

使用统一输出同时处理多种生理信号。整合工作流请参阅 references/bio_module.md。

主要函数：

# Process multiple signals at once
bio_signals, bio_info = nk.bio_process(
    ecg=ecg_signal,
    rsp=rsp_signal,
    eda=eda_signal,
    emg=emg_signal,
    sampling_rate=1000
)

# Analyze all processed signals
bio_analysis = nk.bio_analyze(bio_signals, sampling_rate=1000)

分析模式

NeuroKit2 会根据数据时长自动选择以下两种分析模式之一：

事件相关分析（< 10 秒）：

• 分析与刺激锁定的反应
• 基于分段进行切分
• 适用于具有离散试次的实验范式

区间相关分析（≥ 10 秒）：

• 描述较长时间内的生理模式
• 静息状态或连续活动
• 适用于基线测量和长期监测

大多数 *_analyze() 函数都会自动选择合适的模式。

安装

pip install neurokit2

开发版本：

pip install https://github.com/neuropsychology/NeuroKit/zipball/dev

常见工作流

快速入门：ECG 分析

import neurokit2 as nk

# Load example data
ecg = nk.ecg_simulate(duration=60, sampling_rate=1000)

# Process ECG
signals, info = nk.ecg_process(ecg, sampling_rate=1000)

# Analyze HRV
hrv = nk.hrv(info['ECG_R_Peaks'], sampling_rate=1000)

# Visualize
nk.ecg_plot(signals, info)

多模态分析

# Process multiple signals
bio_signals, bio_info = nk.bio_process(
    ecg=ecg_signal,
    rsp=rsp_signal,
    eda=eda_signal,
    sampling_rate=1000
)

# Analyze all signals
results = nk.bio_analyze(bio_signals, sampling_rate=1000)

事件相关电位

# Find events
events = nk.events_find(trigger_channel, threshold=0.5)

# Create epochs
epochs = nk.epochs_create(processed_signals, events,
                          sampling_rate=1000,
                          epochs_start=-0.5, epochs_end=2.0)

# Event-related analysis for each signal type
ecg_epochs = nk.ecg_eventrelated(epochs)
eda_epochs = nk.eda_eventrelated(epochs)

参考资料

此技能包含按信号类型和分析方法整理的完整参考文档：

• ecg_cardiac.md：ECG/PPG 处理、R 峰检测、波形标注、质量评估
• hrv.md：涵盖所有领域的心率变异性指标
• eeg.md：EEG 分析、频段、微状态、源定位
• eda.md：皮肤电活动处理和 SCR 分析
• rsp.md：呼吸信号处理和变异性
• ppg.md：光电容积描记信号分析
• emg.md：肌电图处理和激活检测
• eog.md：眼电图和眨眼分析
• signal_processing.md：通用信号实用工具和变换
• complexity.md：熵、分形和非线性指标
• epochs_events.md：事件相关分析和分段创建
• bio_module.md：多信号整合工作流

需要时，使用 Read 工具加载特定参考文件，以查看详细的函数文档和参数。

其他资源

• 官方文档：https://neuropsychology.github.io/NeuroKit/
• GitHub 仓库：https://github.com/neuropsychology/NeuroKit
• 论文：Makowski 等人（2021）。NeuroKit2：用于神经生理信号处理的 Python 工具箱。Behavior Research Methods。https://doi.org/10.3758/s13428-020-01516-y