多模式刺激下運動想象腦電信號采集實驗設計

張霞，楊翾，王勝，李婀娜，李娜，任亞莉

（隴東學院 智能制造學院，甘肅慶陽，745000）

腦– 機 接 口（Brain-Computer Interface，BCI）[1～2]是近幾年神經工程領域內的一個研究熱點，它提供了一種全新的非肌肉輸出通道，可實現腦神經信息與外部設備的直接通訊。運動想象腦電信號是應用于BCI 系統最多的腦電信號之一，而且運動想象（Motorimagery，MI）能夠促進受損傷的運動傳導通路修復或重建，使部分處于休眠狀態的神經突觸蘇醒過來并擔當代償的作用。近年來借助BCI 技術的運動想象訓練已廣泛應用于神經運動功能的康復訓練，成為一項很有潛力的康復訓練方法。

研究表明，人體在真實運動或者想象運動但無明顯動作輸出狀態下，大腦的感覺運動皮層區處于活躍狀態，具體表現為特定頻段的腦電能量出現明顯的下降，這種現象被稱為事件相關去同步（Eventrelated Desynchronization，ERD）現象。ERD 現象是腦電信號的基本特征，以ERD 特征分析為基礎的MI-BCI 運動功能康復方面具有重要意義。能否有效提取腦電信號中的ERD 特征是決定腦–機接口性能的關鍵，因此研究受試者何種刺激模式下會產生明顯的ERD 特至關重要[3～5]。

實驗以右手和左手抓握運動想象為任務，設計了4 種刺激模式，分別是：一是圖形符號、二是靜態文字+音頻、三是視頻、四是黑屏。研究這4 種刺激模式下，左右手抓握運動想象時激活的大腦皮質層的ERD 特征有何不同，以尋找能夠激發最深激活程度和最廣激活范圍的刺激模式，并將其應用于MI-BCI 系統中，提高系統性能，改善用戶的認可度和接受度。

實驗程序采用PSYCHTOOLBOX（PTB）工具箱編寫，圖形用戶界面開發環境（Graphic User Interface Development Environment，GUIDE）進行設計，通過圖形化的交互界面來設置參數為腦電信號的采集和信號采集前的訓練提供了很大的方便，具有很好的參考和應用價值[6～7]。

1 任務模式及程序設計

4 種刺激模式分別是：一是圖形符號（→或←）；二是靜態文字+音頻（左手+“想象左手運動”或右手+“想象右手運動”）；三是視頻（左手或右手抓握視頻）；四是黑屏。刺激模式示意圖如圖1 所示（以右手抓握運動想象為例）。一個試次10s，分為4個時段：0～2s為準備時間，出現紅圓盤；2～3s 為即將開始實驗，出現黃圓盤；3～8s 為任務期，受試者注視屏幕中的刺激模式進行右手或左手抓握運動想象任務；8～10s，出現綠圓盤，其間被試保持靜息放松狀態即可，等待下一個試次。

圖1 任務模式示意圖

程序設計流程如圖2 所示，實驗開始和結束都有相應提示語。共實驗采集5 組腦電信號，每組實驗包括40 單次任務，4 種刺激模式隨機出現，各10 個單次任務。

圖2 程序設計流程圖

每組腦電采集開始和結束時出現“滴…”聲，每組腦電采集結束會有“本節實驗結束，按任意鍵繼續…”提示，這樣可以讓被試充分休息，方便信號采集。

實驗開始發送Marker1，表示整個實驗的開始。每個Trial 發送一個Marerk，出現在紅色圓盤開始呈現的瞬間，為三位數：第一位無意義；第二位1 表示左手，2 表示右手；第3 位數1234 分別表示4 種刺激模式，即圖形符號、靜態文字+音頻、視頻及黑屏。

音頻材料為采樣率一致的單聲道音頻。視頻幀速率為30Hz，視頻材料的分辨率建議為360p，不應太高，因為可能影響播放速度，命令窗口會有“視頻播放速度過慢，請壓縮視頻尺寸，或改善電腦配置”的信息提示。需要將屏幕刷新率設置為60Hz，否則命令窗口會出現“需要將屏幕刷新率設置為60Hz”的信息提示。實驗中，在5s 任務期，按ESC 可以退出程序，命令窗口出現“用戶終止程序”的信息提示。

2 腦電信號采集系統設計

■2.1 GUIDE 設計過程

MATLAB 圖形用戶界面GUI 是指由窗口、菜單、圖標、光標、按鍵、對話框和文本框等各種圖形對象組成的用戶界面，它允許用戶定制與MATLAB 的交互方式。GUIDE 是MATLAB 提供的用于GUI 界面設計的工具，具有“所見即所得”的特性，操作簡單，用戶可以根據需要在GUI 組件布局編輯器中添加控件對象，設置控件屬性，保存文件后會生成相應的.fig 圖形文件和.m 腳本文件。

按照系統實現功能和設計思路在GUI 編輯界面中添加相應的控件，如圖3 所示。對每個控件的回調函數進行編程，達到預期要求的設計效果。

圖3 腦電信號采集系統編輯界面

GUI 界面設計完成后，需要對系統平臺進行測試，即要反復運行系統，修改程序，進行大量的驗證以確定該系統平臺能夠較好地實現預期功能。

■2.2 采集系統界面

GUIDE 操作界面如圖4 所示，文本框中的參數及按鍵選擇為系統第一次啟動默認參數及選擇。

圖4 腦電信號采集界面

窗口界面由以下六部分組成：（1）參數調整區，由“窗口參數”“模式參數”“試次時間”及“系統參數”四部分中的可編輯文本框和選擇按鍵組成；（2）運行時間顯示區，運行時間顯示在“運行時間”文本框中；（3）數據采集區，由“數據采集”中兩個可編輯文本框組成；（4）研究對象選擇區，由“研究對象”中兩個選擇按鍵組成；（5）程序運行區，由“運行”按鈕；（6）菜單區，有4 個菜單：“說明文檔”“箭頭”“音頻”及“視頻”。

■2.3 系統操作說明

（1）窗口參數：可改變刺激界面及窗口的背景色置和大小。背景色默認是黑色，通過“背景色”三個可編輯文本框調整，文本框中輸入0～255 之間的整數即可，該數字是三原色的值，如果輸錯會出現信息提示。

系統默認全屏打開刺激界面，可以指定窗口的位置和大小，“左上角”兩個文本框為窗口左上角的橫縱坐標值，“右下角”兩個文本框為窗口右下角的橫縱坐標值，坐標原點為屏幕的左上角。輸入參數前首先讓“全屏顯示”按鍵處于未選中狀態。

（2）模式參數：即圖5 中各元素的參數。

圖5 每個試次的運行時間

信息字體是指刺激界面任務期出現的“左手”或“右手”。提示字體是指圖6 中“歡迎參加實驗，按任意鍵開始”“本節實驗結束，按任意鍵繼續…”及“實驗任務完成，按任意鍵結束”。視頻尺寸兩個參數分別為長和高，如果視頻材料不符合這個尺寸，則視頻播放時會發生變形。箭頭尺寸，兩個參數分別為長和寬。

圖6 實驗界面

（3）試次時間：對應圖5 中的4 個時段。

（4）系統參數：“并口地址”根據所用電腦自行更改即可。“同步測試”若選“是”表示同步性檢測，若選“否”表示跳過同步性檢測，正式試驗中建議選“是”。

（5）運行時間：是指每個試次的運行時間，在程序運行結束后顯示在該文本框中，如圖5 所示。

（6）數據采集：由“組數”和“試次數”兩個文本框進行修改，試次數必須為4 的整數倍，否則點擊“運行”按鈕會出現信息提示。

（7）研究對象：系統默認是右手，“左手”和“右手”可任意選擇，4 種刺激模式除黑屏外會做出對應的形式。

（8）程序運行：做好一切準備后，點擊“運行”按鈕即可。所有實驗界面如圖6 所示。

在圖6 實驗界面中，圖6(a)是實驗開始提示語；圖6(b)是2s 的準備時間；圖6(c)是即將開始實驗；圖6(d)、(f)及(h)是想象左手抓握；圖6(e)、(j)和(i)是想象右手抓握；圖6(j)是黑屏；即將想象和進行右手左腳同時抓握；圖6(k)是2s 的休息時間；圖6(l)是一個試次結束休息；圖6(m)是實驗結束提示語。

（9）菜單操作

點擊“說明文檔”，打開該系統說明文檔。點擊“箭頭”，打開箭頭圖片，是實驗程序中所用左右箭頭素材。“音頻”和“視頻”各有“左”和“右”兩個下拉菜單，點擊任何一個，會打開程序中用到的音頻、視頻文件。

（10）退出系統

點擊窗口右上角“×”按鈕，出現如圖7所示的信息提示，選擇“是”即可。

圖7 “退出系統”信息提示

3 結語

運動想象（MI）能夠促進受損傷的運動傳導通路修復或重建，使部分處于休眠狀態的神經突觸蘇醒過來并擔當代償的作用。近年來借助BCI 技術的運動想象訓練已廣泛應用于神經運動功能的康復訓練。文章對4 種刺激模式下左右手抓握運動想象時激活的大腦皮質層的ERD 特征進行了深入分析和研究，為多模式、高精度的運動意圖解碼提供了科學基礎。通過MATLABGUIDE 圖形化的交互界面來設置參數，為腦電信號的采集和信號采集前的訓練提供了方便，具有很好的參考和應用價值。