脑电信号（Electroencephalogram，简称EEG）是人脑神经元活动的综合表现，包含丰富的神经信息。音乐是人脑智力活动的产物，对人的身心有着巨大的影响。大脑和音乐之间的关系，一直是神经科学、心理学等领域研究的热点问题。研究如何将脑电信号转换为音乐，并对得到的音乐进行分析和研究，对深入探讨大脑与音乐的关系有重要意义。本文从挖掘脑电信号与音乐的数理共性入手，提出了系列的基于脑电与音乐共同遵循的无标度性质的脑波音乐转换方法，主要工作如下：1.根据脑电的振幅和音乐中音高的分布都满足的无标度特征，提出了基于单道EEG数据的无标度脑波音乐方法，将EEG信号按照波形特征标记为“事件”，将一个事件映射为一个音符，其中事件的时间长度映射为音长，波形的振幅按照无标度关系映射为音高，平均功率映射为音强。实际的EEG信号被用于音乐生成，结果发现，不同状态下的脑波音乐可以被较好地区分，与另一种基于唤醒度水平的脑波音乐生成方法相比，这种无标度的方法忠实反映了波形的细节信息，并保留了信号原有的无标度性质。同时开发了相应的实时脑波音乐系统，可以用于实时监控或者反馈。2.在单道无标度脑波音乐方法基础上，提出了一种将两道对称电极的EEG信号转换为两声部合奏脑波音乐的方法。首先将取自左右半球对称电极的信号分别转换为MIDI音乐序列，然后根据中国五声调式和西方七声调式的概念对其进行处理，结果发现音乐的音高分布都符合无标度性，且两种调式在大脑不同状态下得到的标度指数有显著的差异，其中五声调式的音乐声部之间的协和性更高，其和声音程的分布更符合无标度性。另外，经过五声调式的处理，大脑两种不同睡眠状态音乐的差异变得更为明显。3.通过对大量音乐作品的分析，发现音程的协和性振荡具有无标度性，可以一定程度上反映作曲家的创作偏好，据此建立的音乐家网络可以反映他们之间在和声应用上的传承和相互影响。在此基础上，提出了无标度振荡的脑波音乐方法，首先将两个电极的信号分别转换为MIDI音乐序列，然后利用同样满足无标度振荡的EEG相位同步指数，对该合奏音乐的音程协和性和音强进行调整。当两个信号同步指数高时，音乐协和性就高，音强较大；当同步指数低时，音乐趋向于不协和，音强较小。对安静状态下睁眼和闭眼的脑波合奏音乐进行分析，发现调整后音乐的标度指数更加接近原始脑电信号。这种方法可以对大脑各脑区的协作性的动态变化进行艺术性地表达。4.分析和讨论了音乐中节奏的功率谱，选择了各种不同风格的中国乐曲，包括古曲、儿歌、流行乐和地方戏曲，发现其节奏功率谱均符合标度分布。在此基础上，提出了多声部脑波音乐方法。在将每个电极的信号分别转换为MIDI音乐序列后，模拟作曲家的创作，设计了艺术滤波器，保留原始音乐中符合调式和节拍要求的音符，最终形成多声部的合奏音乐。结果表明，合奏脑波音乐比单道音乐更具节奏感，其音乐性与丰富性也明显优于单道音乐。此外，合奏脑波音乐还具有更接近原始数据的标度指数，且更加易于区分不同的状态。5.将无标度脑波音乐用于齿科正畸疼痛控制。实验中，被试在放置弓丝以后，被分为三个组，施以不同的干预措施。脑波音乐组的被试要求每天聆听本人的脑波音乐，该音乐采用的是在放置弓丝前采集的安静闭眼状态的EEG数据；空白对照组的被试不接受任何干预；认知行为疗法（CBT）组的被试要求每天聆听相应的录音指导。实验结果表明，脑波音乐对于正畸疼痛有较好的控制作用，与空白组和CBT组相比，脑波音乐组在疼痛量表得分上比其他两组有明显的降低，其EEG相干网络的连接密度明显大于空白组，比CBT组也略大，网络参数更接近小世界属性。这说明脑波音乐在疼痛控制上有较为明显的效果，甚至略优于当前热门的行为疗法。