脑电信号分析技术在体育领域中的应用研究综述

温晓利

摘 要：该文通过文献资料法整理研究自20世纪50年代以来我国脑电信号分析技术在体育领域中的应用，主要从传统线性时域频域分析、非线性动力学分析、超慢涨落技术分析三方面进行分析总结，以期对今后从事脑电信号分析的研究提供理论基础和研究方向的指导。

关键词：脑电信号 分析技术 体育

中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2017）01（c）-0243-02

脑电图是大脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。自1924年“脑电描记之父”Hans Berger首次记录到人脑的电活动至今已近百年，目前EEG已广泛应用于医学、生物、军事、航天、心理、认知科学以及体育等众多领域，体育运动领域中我国学者对优秀运动员的脑电图研究自20世纪50年代后期开始。脑电信号分析技术的发展也从以往的线性分析方法向非线性动力学等方向发展。该研究从脑电信号分析技术出发，回顾脑电分析技术在体育运动领域的研究应用，以期为今后从事该研究的学者提供理论基础和方向指导。

1 传统线性分析技术的研究进展

传统线性分析技术主要集中在时域和频域的分析方法。时域分析方法主要分析EEG波形的几何性质。如，波幅、均值、方差等。这是最早进行脑电信号分析的方法，因其直观性强、物理意义较明确，一直被不少脑电图工作者使用。频域分析方法是对信号进行傅里叶变换后再分析各频段的功率。对脑电信号的时域和频域分析是传统脑电信号的主要分析方法，我国的体育科研工作者在这个领域进行了大量的工作。

90年代前后，黄登惠等对117例运动员包括网球、技巧的脑电图特征进行了一系列采集和分析，主要考察指标为脑电波的分型，α波的波幅和频率等。如在进行网球运动员选材研究中发现，优秀运动员脑电图为α脑波占优势，调频调幅较好。在选材时，最好不选脑电图为M型的不定型少年[1]。运动员的α指数，α频率，α串长于少年时期已达成人水平，而α波平均波幅及最高波幅均随年龄增长而降低，沉静期则随年龄增长有延长趋势[2]。

张振民早期对优秀运动员的脑电信号研究选取指标主要是脑电波α指数、功率谱比值等时频域分析，以脑电波α指数、功率谱比值等技术指标，反映运动员训练过程中的竞技状态和疲劳征兆，在中国乒乓球国家队的应用文章中分析方法仍采用α指数、功率谱比值等技术指标[3]。

2004年周未艾等对中国跳水队员11人利用脑电图和脑电地形图分析指标EEG、BEAM、CSA、α指数、功率谱能量比值等，结果显示：女运动员神经机能状态略优于男队员，优秀跳水运动员大脑唤醒水平（兴奋性）值与其他项目相同，但能量比值较低[4]。

2 非线性分析技术的研究进展

人脑是一个非常复杂的非线性系统，传统的信号分析处理技术都是建立在线性关系基础之上的，忽视了脑电信号的非线性特征。信号处理研究领域早已证实，用非线性动力学的方法来研究和解释脑电信号的特征变化更加合理。目前，我国体育领域中采用非线性方法研究脑电信号的报道尚不多见，整理分析如下。

2.1 相关维数

目前体育领域中只有2002年吕雅君等采用Grassberger和Poccaccia提出的GPA算法进行了相关维数的研究，他们研究了相关维数在不同项目和不同水平运动员的特征，结果显示，相对维数在不同项目、不同水平的运动员间有显著性差异，开放性技能运动员的相对维数高于关闭性技能运动员；同时开放性技能运动员，技能水平不同、相对维数有显著性差异。此外，相对维数与智商IQ和操作智商PIQ呈中度正相关[5]。

2.2 lyapunov指数

2010年王霆等采用脑电非线性动力学分析优秀射箭运动员中枢疲劳，选取非线性指标最大李雅普诺夫指数参数进行分析，其中国家射箭队运动员的脑电最大李雅普诺夫指数参数不存在显著男、女性別差异[6]。

2.3 复杂度

2010年王霆等分析優秀射箭运动员中枢疲劳时同时比较了复杂度参数的变化，结果显示L-Z复杂度可敏感地反映出运动员是否处于中枢疲劳状态，国家射箭队运动员的脑电复杂度参数不存在显著男、女性别差异[6]。

2014年王霆等研究优秀射箭运动员倒立训练前、后脑电非线性参数复杂度的变化特征，5 min倒立训练后，运动员倒立训练与坐姿恢复状态脑电复杂度参数存在显著性差异，而3 min倒立训练没有此差异。8周倒立训练后脑电非线性指标复杂度与倒立训练前相比有显著性增高，表明倒立训练后运动员脑电活动趋于同步化、有序化，其交感神经系统表现出紧张性降低，自主调节能力得以加强[7]。

2.4 近似熵

2010年王霆在分析优秀射箭运动员中枢疲劳研究中还考察了近似熵，结果表明近似熵可较敏感地反映出运动员在不同的两个阶段中训练负荷的变化，运动员的脑电近似熵参数不存在显著男、女性别差异[6]。2014年王霆等研究优秀射箭运动员倒立训练前、后近似熵的变化，5 min倒立训练后，运动员倒立训练与坐姿恢复状态脑电近似熵存在显著性差异，8周倒立训练后近似熵均与倒立训练前相比有显著性增高，表明倒立训练后运动员脑电活动趋于同步化、有序化，其交感神经系统表现出紧张性降低，自主调节能力得以加强[7]。

3 超慢涨落技术

超慢特征涨落谱线系统所揭示的脑波功率及频率涨落，与脑内神经化学介质的活动特性相关。人类的动机、语言、注意以及发育过程中和成人学习记忆过程中环境对脑的修饰都由神经系统来调控，通过神经递质的合成、储存、释放、重摄取与降解来实现。

2007年南开等研究了优秀射箭运动员的脑电超慢涨落谱线的变化特征，在闭目觉醒静坐状态下，不同运动员个体的S谱线的分布具有趋同性。和对照组相比，射箭组的S2、S3/S4、S5、S11、S13系增强；S1、S6、S7系减弱，且呈左脑优势显著。

4 展望

我国体育科研工作人员从20世纪50年代后期开始对优秀运动员进行脑电图研究，至今超过半个世纪，但是对于信号分析的研究进展的综述尚未见报道。脑电信号的分析方法伴随着信号分析领域的研究深入，从线性分析技术过渡到非线性分析方法，分析方法更加多样化、手段更加先进。未来，对优秀运动员的脑电图研究仍是体育科研工作者的研究热点，那么多种分析方法的并用势必是研究的趋势，基于非线性动力学系统分析的先进性和适用性，相信今后会有更多非线性分析方法的研究报道。

参考文献

[1] 黄登惠，周义琼，孙晓菁.网球运动员脑电图研究[J].中国运动医学杂志，1988，12（30）：237-238.

[2] 黄登惠.117例运动员α脑波分析[J].成都体育学院学报，1990，16（2）：89-93.

[3] 张振民，周未艾，蔡振华，等.中国乒乓球世界冠军运动员脑功能特征研究[J].中国运动医学杂志，2002，21（5）：452-457.

[4] 周未艾，陈长庚，张振民，等.中国优秀跳水运动员大脑机能监控研究[J].中国运动医学杂志，2004，23（6）：649-653.

[5] 吕雅君.运动员脑电混沌动力学维数特征及其与智商的相关关系[J].体育科学，2002，22（1）：120-122.

[6] 王霆，王德堃，邓兴国，等.脑电非线性动力学分析在优秀射箭运动员中暑疲劳研究中的应用[J].体育科学，2010，30（2）：64-69.

[7] 王霆，李建英，石岩，等.优秀射箭运动员倒立训练后脑电非线性参数及脑功能变化特征的研究[J].体育科学，2014，34（2）：48-53.