基于多模式辅助刺激的运动想象电位特征调制

李小芹，赵 丽，边 琰

（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

运动功能受损是脑卒中患者后遗症的常见现象，给患者的生活造成很大的影响[1]。据2015年的新闻报道，我国有600万脑血管病（中风）患者，且全球中风患者呈年轻化趋势，20～64岁中风概率已上升到25%，占中风病患的1/3[2]。在世界范围内，每年大约新增100多万中风患者，由此可见除预防中风外，及时治疗和康复尤为重要[3]。运动想象是一种不需要真实肢体参与的思想活动，具有修复大脑神经通路的功能[4]，已广泛应用于临床的康复治疗中。在手部的运动想象过程中，大脑皮质层的辅助运动区、对侧前额叶和运动前区、额叶、顶叶、基底节、小脑以及视觉皮层会被激活[5]，其中脑电信号中特征频段内的能量出现下降的现象，即事件相关去同步（event related desynchronization，ERD）现象。相反，如果脑电信号中特征频段内的能量上升，则为事件相关同步（event related synchronization，ERS）现象[6]。该脑电信号可以反映患者的主观运动意识，具有和真实运动相类似的效果[7]，对于治疗初期的中风患者非常适用，避免了真实的肢体运动带来的二次伤害，同时还能起到重建运动神经通路的作用。

在运动想象疗法中，患者的参与感将直接影响治疗的效果，因此需要设计一种能有效激发患者运动想象脑电信号的范式，最大程度激活大脑皮质层的ERD特征。Liu等[8]的研究显示视觉运动想象对于认知功能的康复具有一定的效果，可以增强受试者在训练过程中的注意力。杭州电子科技大学的研究通过比较4种不同形式的左右手运动想象，发现增加了视觉刺激的运动想象的识别率高于另外3种方案（闭目左右手运动想象、静态抽象图标刺激下的左右手运动想象和静态现实场景图片刺激下的左右手运动想象），由此可知，增加与运动想象相关的视觉刺激在一定程度上可以提高受试者的脑电信号强度[9]。还有研究指出在运动想象过程中增加听觉刺激可以使系统得到更好的识别效果，可用于患有视觉障碍的脑卒中患者的康复训练[10]。而孙辉[11]在一项对左右手运动想象的研究中，通过比较视觉刺激、听觉刺激和视听觉刺激下的左右手运动想象任务的分类准确率发现，三者间的分类准确率并没有明显的差别。

本文设计了4种刺激范式，分别为静态文字刺激、音乐刺激、手指序列运动视频刺激和带音乐的手指序列运动视频刺激，并研究这4种刺激模式下大脑的激活程度。

1 实验设计

以右手在4种不同模式下的运动想象为试验任务，4种模式分别为：静态文字刺激——根据屏幕中出现的文字提示，想象右手进行手指序列运动；音乐刺激——在音乐节拍的提示下，想象右手手指进行序列运动；手指序列运动视频刺激——想象右手手指跟随视频进行序列运动；带音乐的手指序列运动视频刺激——想象右手手指跟随带有音乐的视频进行序列运动。

试验范式采用Eprime软件编写，整个试验分为5个小节，每个小节包括40个单次试验，其中每种模式各含10个单次试验，共计200个单次试验。每个单次试验持续10 s，任务模式示意图如图1所示。

图1 任务模式示意图

0～2 s，屏幕中出现黑色的“+”，提醒受试者准备好开始试验；2～3 s，屏幕中的黑色“+”变为红色，并发出“滴——”的声音，使受试者的注意力集中，提示受试者试验即将开始；3～8 s，屏幕中随机出现4种刺激模式，受试者根据屏幕中的提示进行5 s的运动想象任务；8～10 s，试验结束，出现“想象结束，请放松休息！”的字样，提示受试者休息，在此期间受试者可以眨眼或轻微调整坐姿。试验共采集12名受试者（7名男性，5名女性）的脑电信号。

试验在比较安静且光线较暗的环境中进行，受试者以舒服的姿势坐在椅子上，眼睛水平直视正前方距离60 cm的屏幕，整个试验过程中，受试者需要避免身体的晃动，并尽量减少眨眼的次数。脑电信号采用Neuroscan公司研制的新型电生理放大器SynAmps2采集，并利用Curry7软件对受试者64个导联的脑电信号进行显示、存储和预处理，电极分布采用国际标准10～20电极导联定位。

2 数据处理

2.1 数据预处理

采用Curry7对数据进行预处理，具体包括变参考（将参考电极设为M1和M2，即左右耳乳突的位置）、去基线（使波形的基线与标签的x轴重合）、带通滤波（对信号进行1～30 Hz的带通滤波）、去眼电（根据采集的眼电信号去掉其余导联内包含的眼电干扰）和降采样（将信号的采样率从1 kHz降为200 Hz）。然后将预处理后的信号导入Matlab中的EEGLAB工具箱，对数据进行分段和筛选。

2.2 时频分析

脑电信号是一种具有非线性和非平稳的典型信号，单纯的时域分析和频域分析并不能准确提取信号特征，而时频分析是一种将信号随时间和频率变化进行直观展示的方法。通过事件相关谱扰动值（eventrelated spectral perturbation，ERSP）来计算脑电信号的ERD特征和ERS特征[12]。ERSP值采用多人多次试验中得到信号的能量平均值来表示：

式中：m为受试者人数；n为受试者进行的试验次数；x（τ）为单次试验下采集的受试者的脑电信号；f（τ-t）为对脑电信号进行加窗截断的窗信号。

研究显示，在手部的运动想象过程中大脑皮层的能量分布具有明显的对侧优势[13]，结合电极分布特点，选择C3导联的数据进行时频分析，全部受试者在4种不同模式下的平均时频如图2所示。

图2 不同模式下的平均时频

由图2可以看出，相对静态文字刺激模式和音乐刺激模式，手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式下更能明显激活ERD特征，能量下降也更明显，表明在这2种模式下，更能激活大脑皮层。音乐刺激模式中，ERD特征并不明显，而且从分布频率范围和ERD特征的激活程度来看，带音乐的手指序列运动视频刺激下的ERD特征和无音乐的手指序列运动视频刺激模式下的ERD特征并没有直观的区别，说明音乐刺激的增加并不能对ERD特征的增强起到明显的促进作用。同时，从图中可以看出，ERD特征较明显的2个频段分别为：Alpha频段（8～13 Hz）和 Beta 频段（14～26 Hz）[14]。

2.3 功率谱密度曲线和ERD值

2.3.1 功率谱密度

为了更直观地观察不同模式下脑电信号的能量变化情况，可进一步量化ERD特征，通过短时傅里叶变换计算信号的平均功率谱密度值，根据时频图选择ERD特征明显的频段和时间，同样选择C3导联的信号，并对多人多次试验取平均值，得到特征频段内的平均功率谱密度曲线如图3所示。

从图3可以看出，从各种提示开始后大约0.5 s出现明显的能量下降，但在静态文字刺激模式和音乐刺激模式下，特征频段内的能量下降不明显，说明没有出现有效的ERD特征。而手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式下，信号的能量下降明显，且在提示的时间可以持续激活ERD特征。在这2种刺激模式中，手指序列运动视频刺激模式表现稍优于带音乐的手指序列运动视频刺激模式，同样说明增加音乐这种听觉刺激并没有使大脑皮层在特征频段内表现出更加明显的ERD特征。也就是说，在辅助受试者进行运动想象的过程中，相比于听觉刺激，视觉刺激对大脑皮质层ERD特征的增强更具积极作用。

图3 特征频段内的平均功率谱密度曲线

2.3.2 ERD值

采用相同的方法计算得到12名受试者的平均ERD值，观察4种刺激模式下的ERD特征，计算全部受试者在不同的运动想象状态下激活的ERD特征的强度，并采用配对t检验判断4种模式下激活的ERD特征间是否存在显著性差异。全部受试者在特征频段内的ERD值如图4所示。

从图4可以看出，部分受试者在静态文字刺激模式和音乐模式下进行运动想象时，特征频段内并没有表现出明显的ERD特征，但在手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式下，所有受试者在运动想象过程中均出现了明显的ERD现象，说明这2种方式有助于提高受试者的参与感，从而能得到更好的试验效果。

图4 特征频段内全部受试者的ERD值

配对t检验结果显示：在特征频段内，静态文字刺激模式和音乐刺激模式间激活的ERD特征并没有显著性的差异（Alpha频段：P=0.154 571；Beta频段：P=0.258 271，不满足P<0.05）；静态文字刺激模式和手指序列运动视频刺激模式以及带音乐的手指序列运动视频刺激模式间均具有显著性差异（Alpha频段：P=0.000 194、P=0.000 369；Beta频段：P=0.000 070、P=0.008 151，均满足P<0.01）；音乐刺激模式和手指序列运动视频刺激模式以及带音乐的手指序列运动视频刺激模式间也均具有显著性差异（Alpha频段：P=0.001 460、P=0.001 947；Beta 频段：P=0.000 030、P=0.009 898，均满足P<0.01）；手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式间没有显著性差异（Alpha频段：P=0.467 912；Beta频段：P=0.461 218，不满足P<0.05）。结果显示：对于大多数受试者，在运动想象过程中增加听觉辅助刺激并不能有效增强ERD特征，即对ERD特征没有显著性的影响。

3 结语

文中采用时频图谱、功率谱密度曲线和ERD值分析了全部受试者在4种不同刺激模式下的ERD特征，结果显示在运动想象过程中，特征频段内受试者在静态文字刺激模式和音乐刺激模式下产生的ERD现象并不明显，而在手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式下产生的ERD现象更明显，而且对于那些在静态文字刺激模式和音乐刺激模式下并不能产生ERD现象的受试者，在手指序列运动视频刺激模式和带音乐的手指序列运动视频刺激模式下却能产生ERD现象，说明视觉刺激对于ERD特征的激活具有积极的作用，而听觉刺激的增加并不能使受试者产生更加明显的ERD现象。

在运动想象脑电信号的实际应用中，可以使用视觉刺激作为辅助运动想象的手段，帮助患者产生更加明显的ERD特征，从而使运动想象疗法取得更好的治疗效果，缩短患者的康复训练时间。同样，将增加了视频辅助的运动想象范式设计运用到运动想象脑机接口系统中，可提高系统的有效性，为脑机接口系统真正走向生活做出贡献。