不同占空比光刺激对稳态视觉诱发电位的影响研究

覃玉荣　龙安　刘凌伶　陈妮

(1.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004;2.广西医科大学基础医学院,南宁 530021)



不同占空比光刺激对稳态视觉诱发电位的影响研究

覃玉荣1龙安1刘凌伶1陈妮2

(1.广西大学计算机与电子信息学院,南宁 530004;2.广西医科大学基础医学院,南宁 530021)

摘要目前稳态视觉诱发电位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP)被广泛应用于脑机接口技术和医学临床检测和治疗.了解影响SSVEP参数及其规律非常必要.针对目前不同学者在不同实验条件下测试闪烁光脉冲占空比对SSVEP影响的结果差异较大而难以归纳其共性规律问题,将光脉冲刺激下产生神经冲动的视觉皮层细胞沿内外膜流动的电流等效为一磁偶极子,在此基础上建立了人头部空间电场及SSVEP计算模型.采用该模型对光脉冲占空比影响SSVEP的规律进行了分析,并开展了相关实验.研究结果表明:在闪烁光频率和强度相同条件下,光脉冲占空比对SSVEP各次谐波振幅及其平均功率的影响呈现多“窗口”效应.实验数据与理论研究结果一致.

关键词SSVEP;等效磁偶极子;光脉冲占空比

引言

当人眼受到周期性闪烁光刺激时,大脑头皮上存在与光信号频率及其各次谐波频率相同的稳态视觉诱发电位SSVEP.SSVEP以较好的锁时、锁相特性,较高的信噪比、较高的传输率以及稳定频谱等特点被广泛应用于脑机接口技术和神经退行性疾病、癫痫、自闭症、抑郁症等医学临床诊断和治疗等.了解影响SSVEP大小的因素及其规律对SSVEP在脑机接口和临床医学等方面的有效应用很有意义.研究表明,外刺激闪烁光脉冲信号的幅度、频率和占空比等都是影响SSVEP的因素.其中光脉冲幅度与SSVEP成正比,人们对此已达成共识.至于刺激光脉冲频率对SSVEP的影响问题,已有的研究结果表明:在5～12 Hz频段SSVEP较大,随着光刺激频率的增加SSVEP减小[1-4].然而对于光脉冲占空比对SSVEP的影响规律,目前还不是很清晰.文献[5]通过实验发现,在2～30 Hz光刺激条件下,SSVEP对5～10 Hz的频率响应最为明显,最优的占空比取值在60%～80%范围内.文献[6]的测试结果是:在10 Hz同强度光脉冲作用下,占空比为40%～50%时SSVEP值最大.还有的实验研究发现,在13.16 Hz闪光刺激下,随着光脉冲占空比的增加,SSVEP基波成分幅度增大而二次谐波成分下降[7].由于外刺激光脉冲频率、幅度以及受试对象不同,目前光脉冲占空比对SSVEP影响的实验测试结果差异较大,有些甚至相反,这给对两者间变化规律的研究带来较大困难.

对光脉冲占空比影响SSVEP规律的较少了解,使目前研究SSVEP时对占空比的选择多带有盲目性.本文根据大脑皮层视觉细胞产生神经冲动时细胞膜电流的变化特性,用磁偶极子等效每一个产生冲动电位的视觉皮层细胞膜电流.然后建立了计算多个等效磁偶极子(对应不同的产生神经冲动的视觉皮层细胞膜电流)在人头部空间产生的电场及SSVEP模型.并通过该模型研究光刺激脉冲占空比对SSVEP的影响规律.最后进行了相关实验.

1SSVEP计算模型

1.1产生神经冲动的视觉皮层细胞数与光脉冲占空比的关系

视网膜空间分布形状是一个球面(成人的视网膜构成球面的72%),主要由光感细胞、双极细胞及神经节细胞组成,其功能是将光信号转换为电信号.光刺激下,光感细胞膜超极化产生的局部电位通过双极细胞处理使神经节细胞产生冲动电位脉冲,该脉冲信号通过视神经纤维(亦即神经节细胞的轴突)传至视觉皮层细胞,形成视觉,同时在大脑头皮产生SSVEP.

对强光敏感的主要是光感细胞中的视锥细胞.从闪烁发光二极管(Light Emitting Diode, LED)灯发射的光波到达球面视网膜上不同视锥细胞的时间有差别.视锥细胞、双极细胞以及神经节细胞之间主要是一对一的“单线”连接.视锥细胞在光刺激下产生的局部电位经双极细胞作用后激发神经节细胞产生动作电位.相邻两个神经节细胞产生的动作电位存在时间差.假设N个神经节细胞先后产生动作电位,相应的脉冲序列可写为P(t)、P(t-tO1)、P(t-tO2)、…、P(t-tO(N-1)).

因为视网膜对光具有“明适应”和“暗适应”的作用特征(前者指当光线由暗变明,视网膜对光的刺激的视觉感受性逐步降低的过程,一般在数秒到1分钟内完成;后者指光线由强变弱时,视网膜的视觉感受性逐渐增强的过程,通常在25到30分钟内完成),所以光刺激人眼最初诱发产生冲动电位的神经节细胞数量较少,但随着光连续作用时间增加,产生冲动电位脉冲的神经节细胞数量N加大,从而刺激更多的视觉皮层细胞产生神经冲动.在幅度和频率相同的光脉冲刺激下,占空比越大,一个周期内视网膜受光刺激的时间越长,则产生动作电位的神经节细胞的数量N就越大,由此激发更多的视觉皮层细胞产生动作电位,因此产生神经冲动的视觉皮层细胞数量L和光刺激占空比大小成正比.

1.2基于等效磁偶极子理论的SSVEP计算模型

在闪烁光刺激下,视网膜神经节细胞输出的脉冲信号传至视觉中枢使视觉皮层细胞膜电压变化.当细胞膜电压变化超过阈值时,视觉皮层细胞产生神经冲动而引起的动作电位,此时除产生穿膜电流外,还存在沿内外膜流动的脉冲电流i(t)(二者传输方向相反),这些电流在空间产生的电场决定了SSVEP的大小,其变化周期T和光刺激脉冲周期相同．假设在角频率为ω的闪烁光脉冲信号F(t) (t≥0)作用下,一个脉冲周期内有L个视觉皮层细胞先后产生神经冲动,这些细胞膜电流脉冲可分别表示为i(t-t1)、i(t-t2)、…、i(t-tg)、…、i(t-tL),(t≥0).第g个产生神经冲动的视觉皮层细胞膜脉冲电流可展开为傅里叶级数:

i(t-tg)=∑∞n=1 Ansin[nω(t-tg)]

(t≥0, g=1, 2,…, L),

(1)

(2)

沿着视觉皮层细胞膜传输且按正弦规律变化的电流可等效为一磁偶极子.第g个产生神经冲动的视觉皮层细胞膜的n次谐波电流复振幅为

Ign=Ane-jn ωtg,g=1,2,…,L.

(3)

球坐标系下第1个产生神经冲动的视觉皮层细胞膜上的n次谐波电流在人体头部空间中产生的电场复振幅为:

Enθ=0,Enr=0;

(4)

(5)

式中: An为每个产生神经冲动视觉皮层细胞膜电流的n次谐波的振幅; ω为细胞膜电流脉冲角频率(和光刺激脉冲频率相同); S为单个皮层视觉细胞的等效磁偶极子的面积; r为圆心O到M点的距离; μ是大脑球模型空间磁导率.

第g个产生神经冲动的视觉皮层细胞的n次谐波在M点产生的电场复振幅为:

Egnθ=0,Egnr=0;

(6)

Egnφ=Enφe-jn ωtg.

(7)

式中,tg为第g个和第1个视觉皮层细胞产生动作电位的时间差.

头皮电位主要由大脑锥体皮层细胞产生.每个锥体皮层细胞在空间同向排列.SSVEP是多个产生神经冲动的视觉皮层锥体细胞在大脑头皮上共同产生的电位,是空间和时间坐标的函数.考虑到在光刺激模式、光脉冲频率及强度相同条件下,大脑头皮上某固定点M的SSVEP变化只受光脉冲作用时间影响,亦即只随不同占空比的变化而变化,且考虑视觉皮层细胞的间距远远小于细胞到M点的距离r,故在研究不同光脉冲占空比对SSVEP影响时,可近似认为不同视觉锥体皮层细胞的空间位置相同.设产生动作电位的不同视觉皮层锥细胞的等效磁偶极子的圆心重叠在o点,以o点为圆心建立球坐标系,则产生神经冲动的所有视觉皮层细胞膜电流的n次谐波在M点的合成电场复振幅为:

Enθw=0,Enrw=0;

(8)

(9)

所有产生神经冲动的视觉皮层细胞膜电流的各次谐波同时在M点产生的总电场复振幅为

(10)

故M点产生的稳态视觉诱发电位复振幅为

VSSVEP =∫MAEφw·dl

(11)

式中,A点为零电位参考点.

1.3光脉冲占空比对SSVEP变化影响

上述研究表明,SSVEP的n次谐波振幅随L变化主要取决于nωΔt.由于nωΔt和产生神经冲动的视觉细胞的数量L成正比,并考虑L和光占空比τ的正相关关系,可推知SSVEP的n次谐波振幅随占空比的变化曲线存在“窗口”效应:当占空比的取值使2kπ≤nωΔt≤(2k+1)π时,(k=0,1,2,3,…),SSVEP的各次谐波振幅随占空比的增加而变大;若(2k+1)π≤nωΔt≤2(k+1)π,(k=0，1,2,3,…),SSVEP的n次谐波振幅随占空比的增加而减少.当nωΔt等于(2k+1)π时,SSVEP的n次谐波振幅最大.如果k=1,说明二者变化曲线最多有2个“窗口”和2个SSVEP的n次谐波振幅的峰值;若k=2,3,4，…,则变化曲线将对应最多出现3个、4个、5个、…“窗口”及SSVEP振幅峰值.变化曲线中出现的“窗口”数目取决于光脉冲占空比.如果占空比的取值使产生冲动电位的视觉皮层细胞越多,首、末位两个视觉皮层细胞产生冲动电位的时间差nωΔt就越大,则SSVEP的n次谐波振幅随占空比变化变化曲线出现的“窗口”就越多.

由于SSVEP的平均总功率等于其各次谐波平均功率之和,且各次谐波平均功率等于对应谐波振幅的平方,因此SSVEP的各次谐波平均功率及总平均功率随占空比变化曲线也存在多“窗口”效应.

在相同频率和幅度的光脉冲作用下,不同受试者的视觉皮层细胞产生动作电位的阈值τs各异,产生神经冲动的视觉皮层细胞数量不一样,因此SSVEP各次谐波振幅及其平均功率随光脉冲占空比变化曲线出现的“窗口”数量及峰值也不相等.

2频率和强度相等的光脉冲占空比对SSVEP影响实验

2.1受试对象

选取6名受试志愿者,平均年龄24～26岁,视力正常,明确了解实验目的和要求.

2.2实验系统和环境

图1　实验系统示意图

实验系统如图1所示,其中MP150多导电生理信号记录分析系统为美国BIOPAC公司制造,配备的AcqKnowledge4.4软件可进行可视化在线记录和离线分析;护目镜内置频率和脉冲占空比可控的闪烁LED灯;DDS信号源提供LED灯驱动电平;基于10/20系统法,从导电帽Fz-O1和Fz-O2采集到的脑电信号分别输至MP150中的Fz-O1和Fz-O2记录模块并显示,其中O1、O2点为参考负极,Fz点为参考正极,公共接地电极取右耳垂处.测试在一黑暗、安静的实验室内进行.

2.3实验方案

由于8～12Hz的闪光刺激可在大脑头皮上产生较为显著的SSVEP,同时考虑大脑皮层细胞的背景电活动频率约为8～10Hz,本实验LED闪光频率设定为12Hz,以避免大脑皮层细胞背景电活动对实验结果产生较大影响.左右护目镜测试点固定,刺激光照度均为52.92Lux,受试志愿者暗适应背景光照度为0Lux.每一受试志愿者眼罩护目镜,头戴导电帽,坐势舒适,测试其在12Hz,光强为52.92Lux,占空比分别为5%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%及95%的闪烁LED作用下的脑电信号变化情况.闪光刺激时间均为1min,每一组实验重复三次;每个受试者无LED闪光刺激时的SSVEP各信号分量功率设为相应实验的对照组;每名受试志愿者在实验前均进行5min的黑暗环境适应.

2.4实验数据处理和结果

由于SSVEP三次及更高阶谐波能量很小,本文主要研究SSVEP中的基频信号(12Hz)、二次谐波(24Hz)和三次谐波(36Hz)信号功率.实验数据处理过程: 1) 分别测试12Hz、52.92Lux、不同占空比闪光刺激下每个受试者在Fz-O1(左脑枕区)和Fz-O2(右脑枕区)的SSVEP的基波、二次以及三次谐波分量的平均功率(为减去其无光刺激时相应对照组后的数据),三次重复实验取均值. 2) 将每个受试者左、右枕区的基波、二次及三次谐波分别相加,取均值后得该受试者枕区点SSVEP的平均总功率P,其随不同占空比变化结果如图2所示.

(a) 第一受试者　　　　　　　　　　　　(b) 第二受试者

(c) 第三受试者　　　　　　　　　　　　(d) 第四受试者

图2描述了6个受试志愿者在12Hz、52.92Lux及不同占空比闪烁光脉冲刺激下SSVEP的基波、二次及三次谐波平均总功率P的变化情况: 1) 在图2(a)～图2(c)及图2(f)中,四个受试者的P值均在5%～30%占空比区间存在峰值,但在图2(d)和图2(e)中因占空比测试点不足而难以判断该区间P的峰值是否存在; 2) 所有受试者均在40%～60%占空比取值区间P值出现峰值; 3) 图2(a)～图2(e)显示的五个受试者的P值在70%～95%区间出现峰值,但图2(f)在此范围内的平均总功率P值同样因占空比测试点较少而无法判断其峰值存在与否.

(e) 第五受试者　　　　　　　　　　　　(f) 第六受试者图2　SSVEP平均总功率P随不同占空比变化结果

3讨论

本文理论研究结果表明,在相同频率和强度闪光脉冲刺激下,SSVEP各次谐波振幅及其平均功率随占空比变化呈现“窗口”效应:当占空比小于某阈值τs时,其随占空比的增加而增加;若占空比超过τs,其随占空比的加大而减少.因为SSVEP的平均总功率等于各次谐波平均功率之和,因此SSVEP的平均总功率随占空比变化同样存在“窗口”效应. “窗口”效应具有多重性．

本文对六个受试志愿者在12Hz、光强为52.92Lux的闪光脉冲刺激下SSVEP的基波、二次及三次谐波的平均总功率P进行测试的结果表明,P值随占空比变化呈现多“窗口”变化特性．对于图2(d)、图2(e)在5%～30%及图2(f)在70%～95%占空比区间出现P峰值难以判断的现象,可能的解释是:视觉神经皮层细胞膜在没有产生冲动电位之前,其细胞膜局部电位变化满足时间和空间的叠加性,并随光脉冲作用时间而增加.当局部电位逐渐加大超过阈值电位时,视觉皮层细胞产生神经冲动而产生动作电位.动作电位阈值因人而异,在相同频率、强度及占空比闪烁光刺激脉冲作用下,不同受试者的视觉皮层细胞产生动作电位的阈值电位不同,由此产生动作电位的视觉皮层锥体细胞数量不一样,因此在大脑头皮上诱发的SSVEP各次谐波振幅及其平均功率峰值所对应的光脉冲占空比不同.当占空比在5%～30%区间变化时,对应5%、20%和30%三个测试点,图2(a)、图2(b)、图2(c)及图2(f)中受试者SSVEP的基波、二次及三次谐波平均总功率P的取值能明确提示该区域有峰值,但对图2(d)和图2(e),难以仅仅通过其在上述三个测试点的P值来判断该区域是否有P的峰值,需要选取更多的占空比测试点,才能清晰判断该区域P峰值的存在．判断图2(f)在70%～95%的峰值是否存在,同样也需要在该区域选择更多的占空比测试点．本文实验得到的SSVEP基波、二次及三次谐波平均总功率随占空比变化呈现的多“窗口”关系和理论研究结果相符合.

文献[5]通过实验发现在2～30Hz条件下,当占空比在10%～90%间取值时,不论对哪一个频率,SSVEP随占空比的变化同样存在“窗口”效应,SSVEP在占空比为60%～80%范围内取值时最大.文献[6]中的实验研究结果表明,在占空比为10%～90%的闪光刺激LED光脉冲刺激下,SSVEP变化曲线同样呈现“窗口”效应:当占空比从10%变化至40%时,诱发的SSVEP逐渐增强;当达到40%～50%的占空比时,SSVEP最强;而在占空比大于50%时,SSVEP随占空比的增加而减少.文献[7]则测试了13.16Hz闪烁光刺激下,占空比在10.5%和89.5%之间取值时SSVEP的变化情况,结果是存在一个反应占空比和SSVEP二者变化关系的“窗口”曲线,占空比在57.9%～73.3%范围内取值时,SSVEP基波、二次和三次谐波的振幅总和最大.这些实验结果同样说明了SSVEP各次谐波振幅及其平均功率随光脉冲占空比变化具有“窗口”效应.

光脉冲占空比对SSVEP各次谐波振幅及其平均功率影响所呈现的多“窗口”变化关系,说明了在一定频率和幅度光脉冲刺激条件下,并非占空比越高,SSVEP各次谐波振幅及其平均功率就越大.SSVEP各次谐波振幅及其平均功率随光占空比变化曲线存在的“窗口”变化,其个数、峰值大小及所对应的占空比均受外刺激光源、受试对象及其状态等诸多因素的影响.

4结论

本文根据闪光刺激光脉冲作用下视觉皮层细胞产生冲动时其膜电流的变化特点,用磁偶极子等效产生冲动的视觉皮层细胞膜电流,然后根据电磁理论建立人体大脑头皮SSVEP的计算模型.对该模型的研究结果表明在相同频率和强度的闪烁光脉冲作用下,SSVEP各次谐波振幅及其平均功率受占空比影响呈现“窗口”效应:当占空比τ小于某个阈值τs时,二者与占空比是正相关的变化关系;当占空比大于τs时,其频率随τ的增加而减少;当τ等于τs时其为峰值.SSVEP各次谐波振幅及其平均功率随光脉冲占空比变化曲线可出现多个“窗口”关系.闪烁光频率、强度以及受试对象决定了该变化曲线中“窗口”出现的数量、SSVEP各次谐波振幅及其平均功率的峰值大小及其对应的占空比.在SSVEP研究中,根据光脉冲占空比对SSVEP影响的规律及实际需求来有效选择适合的光脉冲占空比,对于SSVEP在脑机接口技术和医学临床诊断、治疗中的有效应用很有意义.

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Influence on the SSVEP evoked by visual flicker with different duty-cycle

QIN Yurong1LONG An1LIU Lingling1CHEN Ni2

(1.CollegeofComputerandElectronicsandInformation,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;2.CollegeofBasicMedicine,GuangxiMedicalUniversity,Nanning530021,China)

AbstractAt present time, steady-state visual evoked potentials (SSVEP) are highly applied in brain-computer interface and clinical diagnosis and therap. It is equally important to understand the influencial actors and the laws on the SSVEP. There are many differences between the SSVEP evoked by visual flicker with different duty-cycle in different experiments, so it is hard to summarize the common rules of the SSVEP changing with the change of the duty-cycle of the visual flicker. The membrane current of the visual neurons inducing action potential is taken as a magnetic dipoles to build the computational models for the electric fields in the head and the SSVEP on the scale of the human in this paper. Then the basic rules of the duty-cycle of the visual flicker influencing on the SSVEP were researched according to the computational model and the experiments were completed accordingly. The results show that under the conditions of the same frequency and intensity of the visual flicker, the variation curves of the harmonic amplitude and the average power of the SSVEP change along with the change of different duty-cycle of the visual flicker show several “window” patterns. The results of the experiments agree with that of the theoretical studies.

KeywordsSSVEP; equivalent magnetic dipoles; the duty-cycle of the visual flicker

收稿日期：2015-06-12

中图分类号TN98

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0319-07

DOI10.13443/j.cjors.2015061203

作者简介

覃玉荣(1965-),女,广西人,广西大学计算机与电子信息学院教授,博士,研究方向为脑电信号处理及应用、生物电磁学.

龙安(1988-),女,广西人,广西大学计算机与电子信息学院硕士研究生,研究方向为脑电信号处理及应用.

刘凌伶(1991-),女,广西人,广西大学计算机与电子信息学院硕士研究生,研究方向为脑电信号处理及应用.

陈妮(1983-),女,广西人,广西医科大学基础医学院讲师,研究方向为脑电信号处理及应用.

覃玉荣, 龙安, 刘凌伶,等. 不同占空比光刺激对稳态视觉诱发电位的影响研究[J]. 电波科学学报,2016,31(2):319-324+412. DOI: 10.13443/j.cjors.2015061203

QIN Y R, LONG A,LIU L L,et al. Influence on the SSVEP evoked by visual flicker with different duty-cycle [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(2):319-324+412. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015061203

资助项目: 国家自然科学基金(No.61161009)； 广西自然科学基金(No.2013GXNSFAA019341)

联系人： 覃玉荣 E-mail: qyr111@163.com