基于多模式輔助刺激的運動想象電位特征調制

李小芹，趙 麗，邊 琰

（天津職業技術師范大學自動化與電氣工程學院，天津 300222）

運動功能受損是腦卒中患者后遺癥的常見現象，給患者的生活造成很大的影響[1]。據2015年的新聞報道，我國有600萬腦血管病（中風）患者，且全球中風患者呈年輕化趨勢，20～64歲中風概率已上升到25%，占中風病患的1/3[2]。在世界范圍內，每年大約新增100多萬中風患者，由此可見除預防中風外，及時治療和康復尤為重要[3]。運動想象是一種不需要真實肢體參與的思想活動，具有修復大腦神經通路的功能[4]，已廣泛應用于臨床的康復治療中。在手部的運動想象過程中，大腦皮質層的輔助運動區、對側前額葉和運動前區、額葉、頂葉、基底節、小腦以及視覺皮層會被激活[5]，其中腦電信號中特征頻段內的能量出現下降的現象，即事件相關去同步（event related desynchronization，ERD）現象。相反，如果腦電信號中特征頻段內的能量上升，則為事件相關同步（event related synchronization，ERS）現象[6]。該腦電信號可以反映患者的主觀運動意識，具有和真實運動相類似的效果[7]，對于治療初期的中風患者非常適用，避免了真實的肢體運動帶來的二次傷害，同時還能起到重建運動神經通路的作用。

在運動想象療法中，患者的參與感將直接影響治療的效果，因此需要設計一種能有效激發患者運動想象腦電信號的范式，最大程度激活大腦皮質層的ERD特征。Liu等[8]的研究顯示視覺運動想象對于認知功能的康復具有一定的效果，可以增強受試者在訓練過程中的注意力。杭州電子科技大學的研究通過比較4種不同形式的左右手運動想象，發現增加了視覺刺激的運動想象的識別率高于另外3種方案（閉目左右手運動想象、靜態抽象圖標刺激下的左右手運動想象和靜態現實場景圖片刺激下的左右手運動想象），由此可知，增加與運動想象相關的視覺刺激在一定程度上可以提高受試者的腦電信號強度[9]。還有研究指出在運動想象過程中增加聽覺刺激可以使系統得到更好的識別效果，可用于患有視覺障礙的腦卒中患者的康復訓練[10]。而孫輝[11]在一項對左右手運動想象的研究中，通過比較視覺刺激、聽覺刺激和視聽覺刺激下的左右手運動想象任務的分類準確率發現，三者間的分類準確率并沒有明顯的差別。

本文設計了4種刺激范式，分別為靜態文字刺激、音樂刺激、手指序列運動視頻刺激和帶音樂的手指序列運動視頻刺激，并研究這4種刺激模式下大腦的激活程度。

1 實驗設計

以右手在4種不同模式下的運動想象為試驗任務，4種模式分別為：靜態文字刺激——根據屏幕中出現的文字提示，想象右手進行手指序列運動；音樂刺激——在音樂節拍的提示下，想象右手手指進行序列運動；手指序列運動視頻刺激——想象右手手指跟隨視頻進行序列運動；帶音樂的手指序列運動視頻刺激——想象右手手指跟隨帶有音樂的視頻進行序列運動。

試驗范式采用Eprime軟件編寫，整個試驗分為5個小節，每個小節包括40個單次試驗，其中每種模式各含10個單次試驗，共計200個單次試驗。每個單次試驗持續10 s，任務模式示意圖如圖1所示。

圖1 任務模式示意圖

0～2 s，屏幕中出現黑色的“+”，提醒受試者準備好開始試驗；2～3 s，屏幕中的黑色“+”變為紅色，并發出“滴——”的聲音，使受試者的注意力集中，提示受試者試驗即將開始；3～8 s，屏幕中隨機出現4種刺激模式，受試者根據屏幕中的提示進行5 s的運動想象任務；8～10 s，試驗結束，出現“想象結束，請放松休息！”的字樣，提示受試者休息，在此期間受試者可以眨眼或輕微調整坐姿。試驗共采集12名受試者（7名男性，5名女性）的腦電信號。

試驗在比較安靜且光線較暗的環境中進行，受試者以舒服的姿勢坐在椅子上，眼睛水平直視正前方距離60 cm的屏幕，整個試驗過程中，受試者需要避免身體的晃動，并盡量減少眨眼的次數。腦電信號采用Neuroscan公司研制的新型電生理放大器SynAmps2采集，并利用Curry7軟件對受試者64個導聯的腦電信號進行顯示、存儲和預處理，電極分布采用國際標準10～20電極導聯定位。

2 數據處理

2.1 數據預處理

采用Curry7對數據進行預處理，具體包括變參考（將參考電極設為M1和M2，即左右耳乳突的位置）、去基線（使波形的基線與標簽的x軸重合）、帶通濾波（對信號進行1～30 Hz的帶通濾波）、去眼電（根據采集的眼電信號去掉其余導聯內包含的眼電干擾）和降采樣（將信號的采樣率從1 kHz降為200 Hz）。然后將預處理后的信號導入Matlab中的EEGLAB工具箱，對數據進行分段和篩選。

2.2 時頻分析

腦電信號是一種具有非線性和非平穩的典型信號，單純的時域分析和頻域分析并不能準確提取信號特征，而時頻分析是一種將信號隨時間和頻率變化進行直觀展示的方法。通過事件相關譜擾動值（eventrelated spectral perturbation，ERSP）來計算腦電信號的ERD特征和ERS特征[12]。ERSP值采用多人多次試驗中得到信號的能量平均值來表示：

式中：m為受試者人數；n為受試者進行的試驗次數；x（τ）為單次試驗下采集的受試者的腦電信號；f（τ-t）為對腦電信號進行加窗截斷的窗信號。

研究顯示，在手部的運動想象過程中大腦皮層的能量分布具有明顯的對側優勢[13]，結合電極分布特點，選擇C3導聯的數據進行時頻分析，全部受試者在4種不同模式下的平均時頻如圖2所示。

圖2 不同模式下的平均時頻

由圖2可以看出，相對靜態文字刺激模式和音樂刺激模式，手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式下更能明顯激活ERD特征，能量下降也更明顯，表明在這2種模式下，更能激活大腦皮層。音樂刺激模式中，ERD特征并不明顯，而且從分布頻率范圍和ERD特征的激活程度來看，帶音樂的手指序列運動視頻刺激下的ERD特征和無音樂的手指序列運動視頻刺激模式下的ERD特征并沒有直觀的區別，說明音樂刺激的增加并不能對ERD特征的增強起到明顯的促進作用。同時，從圖中可以看出，ERD特征較明顯的2個頻段分別為：Alpha頻段（8～13 Hz）和 Beta 頻段（14～26 Hz）[14]。

2.3 功率譜密度曲線和ERD值

2.3.1 功率譜密度

為了更直觀地觀察不同模式下腦電信號的能量變化情況，可進一步量化ERD特征，通過短時傅里葉變換計算信號的平均功率譜密度值，根據時頻圖選擇ERD特征明顯的頻段和時間，同樣選擇C3導聯的信號，并對多人多次試驗取平均值，得到特征頻段內的平均功率譜密度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，從各種提示開始后大約0.5 s出現明顯的能量下降，但在靜態文字刺激模式和音樂刺激模式下，特征頻段內的能量下降不明顯，說明沒有出現有效的ERD特征。而手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式下，信號的能量下降明顯，且在提示的時間可以持續激活ERD特征。在這2種刺激模式中，手指序列運動視頻刺激模式表現稍優于帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式，同樣說明增加音樂這種聽覺刺激并沒有使大腦皮層在特征頻段內表現出更加明顯的ERD特征。也就是說，在輔助受試者進行運動想象的過程中，相比于聽覺刺激，視覺刺激對大腦皮質層ERD特征的增強更具積極作用。

圖3 特征頻段內的平均功率譜密度曲線

2.3.2 ERD值

采用相同的方法計算得到12名受試者的平均ERD值，觀察4種刺激模式下的ERD特征，計算全部受試者在不同的運動想象狀態下激活的ERD特征的強度，并采用配對t檢驗判斷4種模式下激活的ERD特征間是否存在顯著性差異。全部受試者在特征頻段內的ERD值如圖4所示。

從圖4可以看出，部分受試者在靜態文字刺激模式和音樂模式下進行運動想象時，特征頻段內并沒有表現出明顯的ERD特征，但在手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式下，所有受試者在運動想象過程中均出現了明顯的ERD現象，說明這2種方式有助于提高受試者的參與感，從而能得到更好的試驗效果。

圖4 特征頻段內全部受試者的ERD值

配對t檢驗結果顯示：在特征頻段內，靜態文字刺激模式和音樂刺激模式間激活的ERD特征并沒有顯著性的差異（Alpha頻段：P=0.154 571；Beta頻段：P=0.258 271，不滿足P<0.05）；靜態文字刺激模式和手指序列運動視頻刺激模式以及帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式間均具有顯著性差異（Alpha頻段：P=0.000 194、P=0.000 369；Beta頻段：P=0.000 070、P=0.008 151，均滿足P<0.01）；音樂刺激模式和手指序列運動視頻刺激模式以及帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式間也均具有顯著性差異（Alpha頻段：P=0.001 460、P=0.001 947；Beta 頻段：P=0.000 030、P=0.009 898，均滿足P<0.01）；手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式間沒有顯著性差異（Alpha頻段：P=0.467 912；Beta頻段：P=0.461 218，不滿足P<0.05）。結果顯示：對于大多數受試者，在運動想象過程中增加聽覺輔助刺激并不能有效增強ERD特征，即對ERD特征沒有顯著性的影響。

3 結語

文中采用時頻圖譜、功率譜密度曲線和ERD值分析了全部受試者在4種不同刺激模式下的ERD特征，結果顯示在運動想象過程中，特征頻段內受試者在靜態文字刺激模式和音樂刺激模式下產生的ERD現象并不明顯，而在手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式下產生的ERD現象更明顯，而且對于那些在靜態文字刺激模式和音樂刺激模式下并不能產生ERD現象的受試者，在手指序列運動視頻刺激模式和帶音樂的手指序列運動視頻刺激模式下卻能產生ERD現象，說明視覺刺激對于ERD特征的激活具有積極的作用，而聽覺刺激的增加并不能使受試者產生更加明顯的ERD現象。

在運動想象腦電信號的實際應用中，可以使用視覺刺激作為輔助運動想象的手段，幫助患者產生更加明顯的ERD特征，從而使運動想象療法取得更好的治療效果，縮短患者的康復訓練時間。同樣，將增加了視頻輔助的運動想象范式設計運用到運動想象腦機接口系統中，可提高系統的有效性，為腦機接口系統真正走向生活做出貢獻。