運動想象腦電信號的ERD/ERS分析基礎

左開偉

腦機接口能提供一種不依賴于外周神經和肌肉，實現大腦與外界進行信息交流的全新通路。運動想象腦電研究是腦機接口技術研究領域一個重要課題，本文對運動想象腦電信號分析基礎做簡要介紹。

一、腦電分類及特點

腦電是人腦神經細胞群的自發性節律電活動在大腦皮層或頭皮的總體反應的體現。近年來，一系列先進的成像技術也能夠非常直觀地呈現人腦各區域狀態的變化情況，但這些并不影響基于EEG的相關研究。相比于以上成像技術，EEG具有精確到毫秒的極高時間分辨率；同時，多通道采集技術能夠進一步提高空間分辨率；此外，EEG方法簡單，設備成本低廉，可進行普遍推廣。由此可見，腦電信號具有廣闊的發展前景和深遠的研究意義。

在腦電研究中，最常用的分類方法是根據腦電波所處不同頻率段進行分類，主要包括：

δ波：頻率位于0.5～3.99Hz，幅值約為20～200μV。大腦處于深度麻醉或無夢深睡狀態下，才會出現δ波，此外，δ波常見于嬰兒大腦的腦電波形。

θ波：頻率位于4～7.99Hz，幅值約為100～150μV。人處于困倦或全身放松狀態時，大腦會出現θ波。

α波：頻率位于8～12.99Hz，幅值約為20～100μV，波形與正弦波相似，是成年人腦電的基本節律。在正常人處于清醒、安靜、閉目狀態下波形明顯，振幅由小變大，而后變小，如此反復，從而形成“梭波”。在正常人處于睜眼或接受外界刺激狀態下，α波消失被阻斷。

μ波：頻率分布同α波基本一致。μ波與α波的不同之處在于，前者同肢體活動有關，當肢體主動或被動活動時，μ波被阻斷。

β波：頻率位于13～29.99Hz，幅值約為5～20μV。β波在大腦皮層處于興奮狀態時最為明顯。

γ波：頻率位于30～50Hz，幅值小于2μV。當大腦皮層處于高度興奮狀態下出現γ波。

腦電信號作為一種典型的生物電信號，具有如下幾個特點：

（1）腦電信號極其微弱，容易淹沒于背景噪聲之中。一般來說，EEG信號振幅最大不超過200μV，頻率主要位于0.5～50Hz。采集的未經處理的EEG信號均存在噪聲污染，噪聲可來自于工頻干擾、被試者的眼電、心電或肌電干擾、采集電極與大地之間的共模信號干擾等。

（2）腦電信號隨機性強且是非平穩的。隨機性強體現在影響因素多，尚無普遍規律存在，必須依靠統計技術來估計腦電信號的各項特征。非平穩性體現在各種生理因素始終在不斷變化，并且對于外界具有一定的自適應性，其統計量是時變函數。

（3）腦電信號具有非線性特點。生物機體具有特有的調節機能和自適應能力，這必然影響包括腦電信號在內的各種生物電信號，導致其出現非線性。

（4）腦電信號成分復雜。如上所述，腦電信號節律多樣，波形極其不規則，根據頻率不同可劃分為多種節律，每種節律的信號都具有一定的頻段。

二、運動想象與ERD/ERS

運動想象是在沒有實際肢體運動的情況下，精神或意識對于運動執行的排演。在運動想象過程中，受試者想象自己在執行某個動作，然而并沒有實際肢體運動的發生，甚至沒有肌動。在這個狀態中，一個動作是內在的并沒有外在的輸出。在前者過程中，受試者看到自己完成了動作。在后者過程中，受試者意識到自己完成了相應的實際動作，而后具有一系列的腦功能反應。研究表明，肌肉運動知覺的運動想象在運動學習方面要明顯優于視覺運動想象。

大腦皮層處于不同生理狀態，相應的腦電波形也會有不同的變化。當大腦皮層某個區域處于激活狀態，導致某些頻段信號能量降低，這一電生理現象稱之為事件相關去同步化（ERD）。反之，大腦處于靜息或惰性狀態下，某些頻段信號能量升高，則稱之為事件相關同步化（ERS）。運動感覺區的固有頻率就具有典型的ERD/ERS特征，將腦電信號的節律性分量（如α、β節律）作為BCI的輸入信號正是建立在ERD/ERS特征基礎之上的。分析ERD/ERS需要對頻帶進行劃分，對于多導數據尤為困難。想象左右手的運動可以產生ERD/ERS現象，這正是本文的研究內容。

三、α、β節律的ERD/ERS

近年來，腦運動功能研究者發現α和β節律具有同運動行為密切相關的ERD/ERS現象，相關研究如下。

α節律的ERD/ERS研究。當受試者手在準備運動時，10HzERD在頭部對側感覺運動區域最為明顯。與此同時，10HzERS則出現在與運動不相關的區域。由此，推測10HzERD是腦激活的指標，10HzERS則表明大腦皮層恢復到靜息或惰性狀態。

β節律的ERD/ERS研究。Jasper等人研究表明，手在準備運動及運動過程中，25Hzβ節律在大腦皮層對側手運動區域最為明顯，表現為ERD活動，運動結束后則表現為ERS活動。

通過研究不同節律腦電信號與手運動時大腦所處狀態的關系，可以發現，α和β節律的ERD活動表明大腦處于激活或興奮狀態，ERS活動表明大腦處于失活或靜息狀態。

研究表明，在進行運動想象時，腦電信號的ERD/ERS現象同實際運動的相似。Pfurtscheller等人發現，在進行單側手運動想象時，大腦對側感覺運動區α和β節律能量降低，即產生ERD現象，大腦同側感覺運動區α和β節律能量升高，即產生ERS現象。這說明運動想象與運動行為的大腦控制區域是相同的，為BCI相關研究開辟了新的途徑。