运动想象脑电信号的ERD/ERS分析基础

左开伟

脑机接口能提供一种不依赖于外周神经和肌肉，实现大脑与外界进行信息交流的全新通路。运动想象脑电研究是脑机接口技术研究领域一个重要课题，本文对运动想象脑电信号分析基础做简要介绍。

一、脑电分类及特点

脑电是人脑神经细胞群的自发性节律电活动在大脑皮层或头皮的总体反应的体现。近年来，一系列先进的成像技术也能够非常直观地呈现人脑各区域状态的变化情况，但这些并不影响基于EEG的相关研究。相比于以上成像技术，EEG具有精确到毫秒的极高时间分辨率；同时，多通道采集技术能够进一步提高空间分辨率；此外，EEG方法简单，设备成本低廉，可进行普遍推广。由此可见，脑电信号具有广阔的发展前景和深远的研究意义。

在脑电研究中，最常用的分类方法是根据脑电波所处不同频率段进行分类，主要包括：

δ波：频率位于0.5～3.99Hz，幅值约为20～200μV。大脑处于深度麻醉或无梦深睡状态下，才会出现δ波，此外，δ波常见于婴儿大脑的脑电波形。

θ波：频率位于4～7.99Hz，幅值约为100～150μV。人处于困倦或全身放松状态时，大脑会出现θ波。

α波：频率位于8～12.99Hz，幅值约为20～100μV，波形与正弦波相似，是成年人脑电的基本节律。在正常人处于清醒、安静、闭目状态下波形明显，振幅由小变大，而后变小，如此反复，从而形成“梭波”。在正常人处于睁眼或接受外界刺激状态下，α波消失被阻断。

μ波：频率分布同α波基本一致。μ波与α波的不同之处在于，前者同肢体活动有关，当肢体主动或被动活动时，μ波被阻断。

β波：频率位于13～29.99Hz，幅值约为5～20μV。β波在大脑皮层处于兴奋状态时最为明显。

γ波：频率位于30～50Hz，幅值小于2μV。当大脑皮层处于高度兴奋状态下出现γ波。

脑电信号作为一种典型的生物电信号，具有如下几个特点：

（1）脑电信号极其微弱，容易淹没于背景噪声之中。一般来说，EEG信号振幅最大不超过200μV，频率主要位于0.5～50Hz。采集的未经处理的EEG信号均存在噪声污染，噪声可来自于工频干扰、被试者的眼电、心电或肌电干扰、采集电极与大地之间的共模信号干扰等。

（2）脑电信号随机性强且是非平稳的。随机性强体现在影响因素多，尚无普遍规律存在，必须依靠统计技术来估计脑电信号的各项特征。非平稳性体现在各种生理因素始终在不断变化，并且对于外界具有一定的自适应性，其统计量是时变函数。

（3）脑电信号具有非线性特点。生物机体具有特有的调节机能和自适应能力，这必然影响包括脑电信号在内的各种生物电信号，导致其出现非线性。

（4）脑电信号成分复杂。如上所述，脑电信号节律多样，波形极其不规则，根据频率不同可划分为多种节律，每种节律的信号都具有一定的频段。

二、运动想象与ERD/ERS

运动想象是在没有实际肢体运动的情况下，精神或意识对于运动执行的排演。在运动想象过程中，受试者想象自己在执行某个动作，然而并没有实际肢体运动的发生，甚至没有肌动。在这个状态中，一个动作是内在的并没有外在的输出。在前者过程中，受试者看到自己完成了动作。在后者过程中，受试者意识到自己完成了相应的实际动作，而后具有一系列的脑功能反应。研究表明，肌肉运动知觉的运动想象在运动学习方面要明显优于视觉运动想象。

大脑皮层处于不同生理状态，相应的脑电波形也会有不同的变化。当大脑皮层某个区域处于激活状态，导致某些频段信号能量降低，这一电生理现象称之为事件相关去同步化（ERD）。反之，大脑处于静息或惰性状态下，某些频段信号能量升高，则称之为事件相关同步化（ERS）。运动感觉区的固有频率就具有典型的ERD/ERS特征，将脑电信号的节律性分量（如α、β节律）作为BCI的输入信号正是建立在ERD/ERS特征基础之上的。分析ERD/ERS需要对频带进行划分，对于多导数据尤为困难。想象左右手的运动可以产生ERD/ERS现象，这正是本文的研究内容。

三、α、β节律的ERD/ERS

近年来，脑运动功能研究者发现α和β节律具有同运动行为密切相关的ERD/ERS现象，相关研究如下。

α节律的ERD/ERS研究。当受试者手在准备运动时，10HzERD在头部对侧感觉运动区域最为明显。与此同时，10HzERS则出现在与运动不相关的区域。由此，推测10HzERD是脑激活的指标，10HzERS则表明大脑皮层恢复到静息或惰性状态。

β节律的ERD/ERS研究。Jasper等人研究表明，手在准备运动及运动过程中，25Hzβ节律在大脑皮层对侧手运动区域最为明显，表现为ERD活动，运动结束后则表现为ERS活动。

通过研究不同节律脑电信号与手运动时大脑所处状态的关系，可以发现，α和β节律的ERD活动表明大脑处于激活或兴奋状态，ERS活动表明大脑处于失活或静息状态。

研究表明，在进行运动想象时，脑电信号的ERD/ERS现象同实际运动的相似。Pfurtscheller等人发现，在进行单侧手运动想象时，大脑对侧感觉运动区α和β节律能量降低，即产生ERD现象，大脑同侧感觉运动区α和β节律能量升高，即产生ERS现象。这说明运动想象与运动行为的大脑控制区域是相同的，为BCI相关研究开辟了新的途径。