復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)*

鄭 海，胡 濤，梁寬寬，任亞莉

（隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

腦-機(jī)接口[1-2]（Brain-Computer Interface，BCI）是近幾年神經(jīng)工程領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)研究熱點(diǎn)，提供了一種全新的非肌肉輸出通道，實(shí)現(xiàn)了腦神經(jīng)信息與外部設(shè)備的直接通信。運(yùn)動(dòng)想象（Motor Imagery，MI）腦電信號(hào)是應(yīng)用于BCI最多的腦電信號(hào)之一，MI-BCI目前主要有四類(lèi)簡(jiǎn)單肢體運(yùn)動(dòng)想象，如左手、右手、左腳、右腳和舌部動(dòng)作，且可選動(dòng)作范式少。同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象可涉及更多肢體，如上肢包括手、前臂、后臂，下肢包括腳、小腿、大腿，同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象能滿足MI-BCI多指令集輸出的需求[3-4]。

實(shí)驗(yàn)在簡(jiǎn)單肢體運(yùn)動(dòng)想象的基礎(chǔ)上，建立了兩類(lèi)手腳聯(lián)動(dòng)的同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象，程序采用PSYCHTOOLBOX工具箱編寫(xiě)，圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境MATLAB GUIDE進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)圖形化的交互界面來(lái)設(shè)置參數(shù)，為腦電信號(hào)的采集和信號(hào)采集前的訓(xùn)練提供了便利[5]。

1 任務(wù)模式及程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了五類(lèi)思維任務(wù)，包括兩類(lèi)簡(jiǎn)單肢體運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)、兩類(lèi)同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)和靜息態(tài)任務(wù)。兩類(lèi)簡(jiǎn)單肢體運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)選擇MI-BCI領(lǐng)域研究較多的左手、右手MI任務(wù)，實(shí)施方案為抓握動(dòng)作。兩類(lèi)同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)同時(shí)涉及到上肢運(yùn)動(dòng)和下肢運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)為左手和右腳協(xié)同動(dòng)作以及右手和左腳協(xié)同動(dòng)作，實(shí)施方案分別為左手右腳同時(shí)抓握動(dòng)作或右手左腳同時(shí)抓握動(dòng)作。

任務(wù)模式示意圖見(jiàn)圖1，這是任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)采集模式示意圖，每個(gè)trial 10 s，分為4個(gè)時(shí)段：0～2 s為準(zhǔn)備時(shí)間，屏幕出現(xiàn)注視點(diǎn)“+”；2～3 s為即將開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)斜單向或雙向箭頭，提示被試（即受試者）即將進(jìn)行哪種實(shí)驗(yàn)任務(wù)；3～8 s為任務(wù)期，被試注視屏幕中以文字形式出現(xiàn)的任務(wù)模式進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)；8～10 s，出現(xiàn)“Rest”，期間被試保持靜息態(tài)放松即可，等待下一個(gè)試次。

圖1 任務(wù)模式示意圖

實(shí)驗(yàn)共分為兩部分：一部分為MI任務(wù)下的腦電圖（ElectroEncephaloGram，EEG）數(shù)據(jù)采集（稱為任務(wù)態(tài)實(shí)驗(yàn)）；另一部分為靜息態(tài)EEG數(shù)據(jù)采集（稱為靜息態(tài)實(shí)驗(yàn)）。MI任務(wù)共有8組，每組40 trial，四類(lèi)MI范式隨機(jī)出現(xiàn)，各含有10 trial；靜息態(tài)數(shù)據(jù)只有一組，包括80 trial。程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)第102頁(yè)圖2，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和實(shí)驗(yàn)結(jié)束都有相應(yīng)信息提示語(yǔ)。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)采集，再進(jìn)行靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集。每組腦電信號(hào)采集開(kāi)始和結(jié)束時(shí)出現(xiàn)“滴……”聲，每組腦電信號(hào)采集結(jié)束會(huì)有“本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按任意鍵繼續(xù)……”信息提示語(yǔ)，這樣可以讓被試充分休息，方便信號(hào)采集。

任務(wù)態(tài)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，發(fā)送marker 1，表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始。每個(gè)trial發(fā)送一個(gè)marker，出現(xiàn)在注視點(diǎn)“+”開(kāi)始呈現(xiàn)的瞬間，為三位數(shù)：101表示左手；102表示右手；103表示左手右腳；104表示右手左腳。

靜息態(tài)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，發(fā)送marker 2，105發(fā)送在靜息態(tài)的每個(gè)trial開(kāi)始瞬間，在靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集期間，屏幕一直呈現(xiàn)“Rest”，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

需要將屏幕刷新率設(shè)置為60 Hz，否則命令窗口會(huì)出現(xiàn)“需要將屏幕刷新率設(shè)置為60 Hz”的信息提示語(yǔ)。實(shí)驗(yàn)中，在5 s任務(wù)期，按ESC可以退出程序，命令窗口出現(xiàn)“用戶終止程序”的信息提示語(yǔ)。

2 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MATLAB GUIDE操作界面見(jiàn)圖3，文本框中的參數(shù)及按鍵選擇為系統(tǒng)第一次啟動(dòng)默認(rèn)參數(shù)及按鍵選擇。窗口界面由以下五部分組成：一是參數(shù)調(diào)整區(qū)，由“窗口參數(shù)”“模式參數(shù)”“任務(wù)態(tài)試次時(shí)間”及“系統(tǒng)參數(shù)”四部分中的可編輯文本框和選擇按鍵組成；二是數(shù)據(jù)采集區(qū)，由“任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)采集”和“靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集”兩部分組成；三是運(yùn)行時(shí)間顯示區(qū)，運(yùn)行時(shí)間顯示在“運(yùn)行時(shí)間”文本框中；四是程序運(yùn)行區(qū)，主要是“運(yùn)行”按鈕；五是菜單區(qū)，有2個(gè)菜單：“說(shuō)明文檔”和“箭頭”。

圖3 MATLAB GUIDE操作界面

3 信號(hào)采集系統(tǒng)操作說(shuō)明

1）窗口參數(shù)：可改變操作界面及窗口的背景色、位置和大小。背景色默認(rèn)是黑色，通過(guò)“背景色”3個(gè)可編輯文本框調(diào)整，文本框中輸入0～255之間的整數(shù)即可，該數(shù)字是三原色的值，如果輸錯(cuò)會(huì)出現(xiàn)信息提示語(yǔ)。系統(tǒng)默認(rèn)全屏打開(kāi)操作界面，可以指定窗口的位置和大小，“左上角”兩個(gè)文本框?yàn)榇翱谧笊辖堑臋M縱坐標(biāo)值，“右下角”兩個(gè)文本框?yàn)榇翱谟蚁陆堑臋M縱坐標(biāo)值，坐標(biāo)原點(diǎn)為屏幕的左上角。輸入?yún)?shù)前首先讓“全屏顯示”按鍵處于未選中狀態(tài)。

2）模式參數(shù)：即圖1中各元素參數(shù)的調(diào)整。一是注視點(diǎn)文本框，是指十字注視點(diǎn)的尺寸。二是信息字體，是指操作界面任務(wù)期出現(xiàn)的“左手”“右手”“左手右腳”及“右手左腳”。三是提示字體，是指圖2中“歡迎參加實(shí)驗(yàn)，按任意鍵開(kāi)始”“本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按任意鍵繼續(xù)……”“任務(wù)態(tài)完成，按任意鍵開(kāi)始靜息態(tài)”及“實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成，按任意鍵結(jié)束”。四是箭頭角度，是指單向箭頭和雙向箭頭的傾斜角度。五是箭頭尺寸，兩個(gè)參數(shù)分別為長(zhǎng)和寬。六是字體距離，兩個(gè)參數(shù)分別為文字和屏幕中心點(diǎn)的水平偏差及垂直偏差，該值越大越遠(yuǎn)離屏幕中心點(diǎn)。

3）任務(wù)態(tài)試次時(shí)間：對(duì)應(yīng)圖1中的4個(gè)時(shí)段。

4）系統(tǒng)參數(shù)：“并口地址”根據(jù)所用電腦自行更改即可?！巴綔y(cè)試”若選“是”表示同步性檢測(cè)，若選“否”表示跳過(guò)同步性檢測(cè)，正式實(shí)驗(yàn)中建議選“是”。

5）數(shù)據(jù)采集：在“任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)采集”和“靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集”的四個(gè)文本框中輸入需要的數(shù)字即可，其中文本框“試次數(shù)”輸入數(shù)字必須為4的整數(shù)倍，否則點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕會(huì)出現(xiàn)信息提示語(yǔ)。

6）運(yùn)行時(shí)間：是指任務(wù)態(tài)每個(gè)試次的運(yùn)行時(shí)間，在程序運(yùn)行結(jié)束后顯示在該文本框中，見(jiàn)圖4。

圖4 任務(wù)態(tài)每個(gè)試次的運(yùn)行時(shí)間

7）程序運(yùn)行：做好一切準(zhǔn)備后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕即可。

實(shí)驗(yàn)界面見(jiàn)圖5。圖5-a是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始信息提示語(yǔ)；圖5-b是2 s的準(zhǔn)備時(shí)間；圖5-c、圖5-d是即將想象和進(jìn)行左手抓握；圖5-e、圖5-f是即將想象和進(jìn)行右手抓握；圖5-g、5-h是即將想象和進(jìn)行左手右腳同時(shí)抓握；圖5-i、圖5-j是即將想象和進(jìn)行右手左腳同時(shí)抓握；圖5-k是2 s的休息時(shí)間；圖5-l是一個(gè)試次結(jié)束休息；圖5-m是提示任務(wù)態(tài)數(shù)據(jù)采集結(jié)束，進(jìn)行靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集；圖5-n是實(shí)驗(yàn)結(jié)束信息提示語(yǔ)。

圖5 實(shí)驗(yàn)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

目前借助BCI技術(shù)，運(yùn)動(dòng)想象訓(xùn)練已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練，并成為一項(xiàng)很有潛力的康復(fù)訓(xùn)練方法。本文對(duì)新型同步性復(fù)合肢體運(yùn)動(dòng)想象范式進(jìn)行了深入分析和研究，為多模式、高精度的運(yùn)動(dòng)意圖解碼提供了科學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)MATLAB GUIDE圖形化的交互界面來(lái)設(shè)置參數(shù)，為腦電信號(hào)的采集和信號(hào)采集前的訓(xùn)練提供了方便，具有很好的參考和應(yīng)用價(jià)值。