左開偉

腦機(jī)接口能提供一種不依賴于外周神經(jīng)和肌肉，實(shí)現(xiàn)大腦與外界進(jìn)行信息交流的全新通路。運(yùn)動(dòng)想象腦電研究是腦機(jī)接口技術(shù)研究領(lǐng)域一個(gè)重要課題，本文對(duì)運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)分析基礎(chǔ)做簡(jiǎn)要介紹。

一、腦電分類及特點(diǎn)

腦電是人腦神經(jīng)細(xì)胞群的自發(fā)性節(jié)律電活動(dòng)在大腦皮層或頭皮的總體反應(yīng)的體現(xiàn)。近年來，一系列先進(jìn)的成像技術(shù)也能夠非常直觀地呈現(xiàn)人腦各區(qū)域狀態(tài)的變化情況，但這些并不影響基于EEG的相關(guān)研究。相比于以上成像技術(shù)，EEG具有精確到毫秒的極高時(shí)間分辨率；同時(shí)，多通道采集技術(shù)能夠進(jìn)一步提高空間分辨率；此外，EEG方法簡(jiǎn)單，設(shè)備成本低廉，可進(jìn)行普遍推廣。由此可見，腦電信號(hào)具有廣闊的發(fā)展前景和深遠(yuǎn)的研究意義。

在腦電研究中，最常用的分類方法是根據(jù)腦電波所處不同頻率段進(jìn)行分類，主要包括：

δ波：頻率位于0.5～3.99Hz，幅值約為20～200μV。大腦處于深度麻醉或無夢(mèng)深睡狀態(tài)下，才會(huì)出現(xiàn)δ波，此外，δ波常見于嬰兒大腦的腦電波形。

θ波：頻率位于4～7.99Hz，幅值約為100～150μV。人處于困倦或全身放松狀態(tài)時(shí)，大腦會(huì)出現(xiàn)θ波。

α波：頻率位于8～12.99Hz，幅值約為20～100μV，波形與正弦波相似，是成年人腦電的基本節(jié)律。在正常人處于清醒、安靜、閉目狀態(tài)下波形明顯，振幅由小變大，而后變小，如此反復(fù)，從而形成“梭波”。在正常人處于睜眼或接受外界刺激狀態(tài)下，α波消失被阻斷。

μ波：頻率分布同α波基本一致。μ波與α波的不同之處在于，前者同肢體活動(dòng)有關(guān)，當(dāng)肢體主動(dòng)或被動(dòng)活動(dòng)時(shí)，μ波被阻斷。

β波：頻率位于13～29.99Hz，幅值約為5～20μV。β波在大腦皮層處于興奮狀態(tài)時(shí)最為明顯。

γ波：頻率位于30～50Hz，幅值小于2μV。當(dāng)大腦皮層處于高度興奮狀態(tài)下出現(xiàn)γ波。

腦電信號(hào)作為一種典型的生物電信號(hào)，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）腦電信號(hào)極其微弱，容易淹沒于背景噪聲之中。一般來說，EEG信號(hào)振幅最大不超過200μV，頻率主要位于0.5～50Hz。采集的未經(jīng)處理的EEG信號(hào)均存在噪聲污染，噪聲可來自于工頻干擾、被試者的眼電、心電或肌電干擾、采集電極與大地之間的共模信號(hào)干擾等。

（2）腦電信號(hào)隨機(jī)性強(qiáng)且是非平穩(wěn)的。隨機(jī)性強(qiáng)體現(xiàn)在影響因素多，尚無普遍規(guī)律存在，必須依靠統(tǒng)計(jì)技術(shù)來估計(jì)腦電信號(hào)的各項(xiàng)特征。非平穩(wěn)性體現(xiàn)在各種生理因素始終在不斷變化，并且對(duì)于外界具有一定的自適應(yīng)性，其統(tǒng)計(jì)量是時(shí)變函數(shù)。

（3）腦電信號(hào)具有非線性特點(diǎn)。生物機(jī)體具有特有的調(diào)節(jié)機(jī)能和自適應(yīng)能力，這必然影響包括腦電信號(hào)在內(nèi)的各種生物電信號(hào)，導(dǎo)致其出現(xiàn)非線性。

（4）腦電信號(hào)成分復(fù)雜。如上所述，腦電信號(hào)節(jié)律多樣，波形極其不規(guī)則，根據(jù)頻率不同可劃分為多種節(jié)律，每種節(jié)律的信號(hào)都具有一定的頻段。

二、運(yùn)動(dòng)想象與ERD/ERS

運(yùn)動(dòng)想象是在沒有實(shí)際肢體運(yùn)動(dòng)的情況下，精神或意識(shí)對(duì)于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的排演。在運(yùn)動(dòng)想象過程中，受試者想象自己在執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作，然而并沒有實(shí)際肢體運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，甚至沒有肌動(dòng)。在這個(gè)狀態(tài)中，一個(gè)動(dòng)作是內(nèi)在的并沒有外在的輸出。在前者過程中，受試者看到自己完成了動(dòng)作。在后者過程中，受試者意識(shí)到自己完成了相應(yīng)的實(shí)際動(dòng)作，而后具有一系列的腦功能反應(yīng)。研究表明，肌肉運(yùn)動(dòng)知覺的運(yùn)動(dòng)想象在運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)方面要明顯優(yōu)于視覺運(yùn)動(dòng)想象。

大腦皮層處于不同生理狀態(tài)，相應(yīng)的腦電波形也會(huì)有不同的變化。當(dāng)大腦皮層某個(gè)區(qū)域處于激活狀態(tài)，導(dǎo)致某些頻段信號(hào)能量降低，這一電生理現(xiàn)象稱之為事件相關(guān)去同步化（ERD）。反之，大腦處于靜息或惰性狀態(tài)下，某些頻段信號(hào)能量升高，則稱之為事件相關(guān)同步化（ERS）。運(yùn)動(dòng)感覺區(qū)的固有頻率就具有典型的ERD/ERS特征，將腦電信號(hào)的節(jié)律性分量（如α、β節(jié)律）作為BCI的輸入信號(hào)正是建立在ERD/ERS特征基礎(chǔ)之上的。分析ERD/ERS需要對(duì)頻帶進(jìn)行劃分，對(duì)于多導(dǎo)數(shù)據(jù)尤為困難。想象左右手的運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生ERD/ERS現(xiàn)象，這正是本文的研究?jī)?nèi)容。

三、α、β節(jié)律的ERD/ERS

近年來，腦運(yùn)動(dòng)功能研究者發(fā)現(xiàn)α和β節(jié)律具有同運(yùn)動(dòng)行為密切相關(guān)的ERD/ERS現(xiàn)象，相關(guān)研究如下。

α節(jié)律的ERD/ERS研究。當(dāng)受試者手在準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，10HzERD在頭部對(duì)側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域最為明顯。與此同時(shí)，10HzERS則出現(xiàn)在與運(yùn)動(dòng)不相關(guān)的區(qū)域。由此，推測(cè)10HzERD是腦激活的指標(biāo)，10HzERS則表明大腦皮層恢復(fù)到靜息或惰性狀態(tài)。

β節(jié)律的ERD/ERS研究。Jasper等人研究表明，手在準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)過程中，25Hzβ節(jié)律在大腦皮層對(duì)側(cè)手運(yùn)動(dòng)區(qū)域最為明顯，表現(xiàn)為ERD活動(dòng)，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后則表現(xiàn)為ERS活動(dòng)。

通過研究不同節(jié)律腦電信號(hào)與手運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦所處狀態(tài)的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，α和β節(jié)律的ERD活動(dòng)表明大腦處于激活或興奮狀態(tài)，ERS活動(dòng)表明大腦處于失活或靜息狀態(tài)。

研究表明，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，腦電信號(hào)的ERD/ERS現(xiàn)象同實(shí)際運(yùn)動(dòng)的相似。Pfurtscheller等人發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行單側(cè)手運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，大腦對(duì)側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)α和β節(jié)律能量降低，即產(chǎn)生ERD現(xiàn)象，大腦同側(cè)感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)α和β節(jié)律能量升高，即產(chǎn)生ERS現(xiàn)象。這說明運(yùn)動(dòng)想象與運(yùn)動(dòng)行為的大腦控制區(qū)域是相同的，為BCI相關(guān)研究開辟了新的途徑。