覃玉榮　龍安　劉凌伶　陳妮

(1.廣西大學計算機與電子信息學院,南寧 530004;2.廣西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院,南寧 530021)

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不同占空比光刺激對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的影響研究

覃玉榮1龍安1劉凌伶1陳妮2

(1.廣西大學計算機與電子信息學院,南寧 530004;2.廣西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院,南寧 530021)

摘要目前穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(Steady-State Visual Evoked Potentials,SSVEP)被廣泛應用于腦機接口技術和醫(yī)學臨床檢測和治療.了解影響SSVEP參數及其規(guī)律非常必要.針對目前不同學者在不同實驗條件下測試閃爍光脈沖占空比對SSVEP影響的結果差異較大而難以歸納其共性規(guī)律問題,將光脈沖刺激下產生神經沖動的視覺皮層細胞沿內外膜流動的電流等效為一磁偶極子,在此基礎上建立了人頭部空間電場及SSVEP計算模型.采用該模型對光脈沖占空比影響SSVEP的規(guī)律進行了分析,并開展了相關實驗.研究結果表明:在閃爍光頻率和強度相同條件下,光脈沖占空比對SSVEP各次諧波振幅及其平均功率的影響呈現多“窗口”效應.實驗數據與理論研究結果一致.

關鍵詞SSVEP;等效磁偶極子;光脈沖占空比

引言

當人眼受到周期性閃爍光刺激時,大腦頭皮上存在與光信號頻率及其各次諧波頻率相同的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位SSVEP.SSVEP以較好的鎖時、鎖相特性,較高的信噪比、較高的傳輸率以及穩(wěn)定頻譜等特點被廣泛應用于腦機接口技術和神經退行性疾病、癲癇、自閉癥、抑郁癥等醫(yī)學臨床診斷和治療等.了解影響SSVEP大小的因素及其規(guī)律對SSVEP在腦機接口和臨床醫(yī)學等方面的有效應用很有意義.研究表明,外刺激閃爍光脈沖信號的幅度、頻率和占空比等都是影響SSVEP的因素.其中光脈沖幅度與SSVEP成正比,人們對此已達成共識.至于刺激光脈沖頻率對SSVEP的影響問題,已有的研究結果表明:在5～12 Hz頻段SSVEP較大,隨著光刺激頻率的增加SSVEP減小[1-4].然而對于光脈沖占空比對SSVEP的影響規(guī)律,目前還不是很清晰.文獻[5]通過實驗發(fā)現,在2～30 Hz光刺激條件下,SSVEP對5～10 Hz的頻率響應最為明顯,最優(yōu)的占空比取值在60%～80%范圍內.文獻[6]的測試結果是:在10 Hz同強度光脈沖作用下,占空比為40%～50%時SSVEP值最大.還有的實驗研究發(fā)現,在13.16 Hz閃光刺激下,隨著光脈沖占空比的增加,SSVEP基波成分幅度增大而二次諧波成分下降[7].由于外刺激光脈沖頻率、幅度以及受試對象不同,目前光脈沖占空比對SSVEP影響的實驗測試結果差異較大,有些甚至相反,這給對兩者間變化規(guī)律的研究帶來較大困難.

對光脈沖占空比影響SSVEP規(guī)律的較少了解,使目前研究SSVEP時對占空比的選擇多帶有盲目性.本文根據大腦皮層視覺細胞產生神經沖動時細胞膜電流的變化特性,用磁偶極子等效每一個產生沖動電位的視覺皮層細胞膜電流.然后建立了計算多個等效磁偶極子(對應不同的產生神經沖動的視覺皮層細胞膜電流)在人頭部空間產生的電場及SSVEP模型.并通過該模型研究光刺激脈沖占空比對SSVEP的影響規(guī)律.最后進行了相關實驗.

1SSVEP計算模型

1.1產生神經沖動的視覺皮層細胞數與光脈沖占空比的關系

視網膜空間分布形狀是一個球面(成人的視網膜構成球面的72%),主要由光感細胞、雙極細胞及神經節(jié)細胞組成,其功能是將光信號轉換為電信號.光刺激下,光感細胞膜超極化產生的局部電位通過雙極細胞處理使神經節(jié)細胞產生沖動電位脈沖,該脈沖信號通過視神經纖維(亦即神經節(jié)細胞的軸突)傳至視覺皮層細胞,形成視覺,同時在大腦頭皮產生SSVEP.

對強光敏感的主要是光感細胞中的視錐細胞.從閃爍發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)燈發(fā)射的光波到達球面視網膜上不同視錐細胞的時間有差別.視錐細胞、雙極細胞以及神經節(jié)細胞之間主要是一對一的“單線”連接.視錐細胞在光刺激下產生的局部電位經雙極細胞作用后激發(fā)神經節(jié)細胞產生動作電位.相鄰兩個神經節(jié)細胞產生的動作電位存在時間差.假設N個神經節(jié)細胞先后產生動作電位,相應的脈沖序列可寫為P(t)、P(t-tO1)、P(t-tO2)、…、P(t-tO(N-1)).

因為視網膜對光具有“明適應”和“暗適應”的作用特征(前者指當光線由暗變明,視網膜對光的刺激的視覺感受性逐步降低的過程,一般在數秒到1分鐘內完成;后者指光線由強變弱時,視網膜的視覺感受性逐漸增強的過程,通常在25到30分鐘內完成),所以光刺激人眼最初誘發(fā)產生沖動電位的神經節(jié)細胞數量較少,但隨著光連續(xù)作用時間增加,產生沖動電位脈沖的神經節(jié)細胞數量N加大,從而刺激更多的視覺皮層細胞產生神經沖動.在幅度和頻率相同的光脈沖刺激下,占空比越大,一個周期內視網膜受光刺激的時間越長,則產生動作電位的神經節(jié)細胞的數量N就越大,由此激發(fā)更多的視覺皮層細胞產生動作電位,因此產生神經沖動的視覺皮層細胞數量L和光刺激占空比大小成正比.

1.2基于等效磁偶極子理論的SSVEP計算模型

在閃爍光刺激下,視網膜神經節(jié)細胞輸出的脈沖信號傳至視覺中樞使視覺皮層細胞膜電壓變化.當細胞膜電壓變化超過閾值時,視覺皮層細胞產生神經沖動而引起的動作電位,此時除產生穿膜電流外,還存在沿內外膜流動的脈沖電流i(t)(二者傳輸方向相反),這些電流在空間產生的電場決定了SSVEP的大小,其變化周期T和光刺激脈沖周期相同．假設在角頻率為ω的閃爍光脈沖信號F(t) (t≥0)作用下,一個脈沖周期內有L個視覺皮層細胞先后產生神經沖動,這些細胞膜電流脈沖可分別表示為i(t-t1)、i(t-t2)、…、i(t-tg)、…、i(t-tL),(t≥0).第g個產生神經沖動的視覺皮層細胞膜脈沖電流可展開為傅里葉級數:

i(t-tg)=∑∞n=1 Ansin[nω(t-tg)]

(t≥0, g=1, 2,…, L),

(1)

(2)

沿著視覺皮層細胞膜傳輸且按正弦規(guī)律變化的電流可等效為一磁偶極子.第g個產生神經沖動的視覺皮層細胞膜的n次諧波電流復振幅為

Ign=Ane-jn ωtg,g=1,2,…,L.

(3)

球坐標系下第1個產生神經沖動的視覺皮層細胞膜上的n次諧波電流在人體頭部空間中產生的電場復振幅為:

Enθ=0,Enr=0;

(4)

(5)

式中: An為每個產生神經沖動視覺皮層細胞膜電流的n次諧波的振幅; ω為細胞膜電流脈沖角頻率(和光刺激脈沖頻率相同); S為單個皮層視覺細胞的等效磁偶極子的面積; r為圓心O到M點的距離; μ是大腦球模型空間磁導率.

第g個產生神經沖動的視覺皮層細胞的n次諧波在M點產生的電場復振幅為:

Egnθ=0,Egnr=0;

(6)

Egnφ=Enφe-jn ωtg.

(7)

式中,tg為第g個和第1個視覺皮層細胞產生動作電位的時間差.

頭皮電位主要由大腦錐體皮層細胞產生.每個錐體皮層細胞在空間同向排列.SSVEP是多個產生神經沖動的視覺皮層錐體細胞在大腦頭皮上共同產生的電位,是空間和時間坐標的函數.考慮到在光刺激模式、光脈沖頻率及強度相同條件下,大腦頭皮上某固定點M的SSVEP變化只受光脈沖作用時間影響,亦即只隨不同占空比的變化而變化,且考慮視覺皮層細胞的間距遠遠小于細胞到M點的距離r,故在研究不同光脈沖占空比對SSVEP影響時,可近似認為不同視覺錐體皮層細胞的空間位置相同.設產生動作電位的不同視覺皮層錐細胞的等效磁偶極子的圓心重疊在o點,以o點為圓心建立球坐標系,則產生神經沖動的所有視覺皮層細胞膜電流的n次諧波在M點的合成電場復振幅為:

Enθw=0,Enrw=0;

(8)

(9)

所有產生神經沖動的視覺皮層細胞膜電流的各次諧波同時在M點產生的總電場復振幅為

(10)

故M點產生的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位復振幅為

VSSVEP =∫MAEφw·dl

(11)

式中,A點為零電位參考點.

1.3光脈沖占空比對SSVEP變化影響

上述研究表明,SSVEP的n次諧波振幅隨L變化主要取決于nωΔt.由于nωΔt和產生神經沖動的視覺細胞的數量L成正比,并考慮L和光占空比τ的正相關關系,可推知SSVEP的n次諧波振幅隨占空比的變化曲線存在“窗口”效應:當占空比的取值使2kπ≤nωΔt≤(2k+1)π時,(k=0,1,2,3,…),SSVEP的各次諧波振幅隨占空比的增加而變大;若(2k+1)π≤nωΔt≤2(k+1)π,(k=0，1,2,3,…),SSVEP的n次諧波振幅隨占空比的增加而減少.當nωΔt等于(2k+1)π時,SSVEP的n次諧波振幅最大.如果k=1,說明二者變化曲線最多有2個“窗口”和2個SSVEP的n次諧波振幅的峰值;若k=2,3,4，…,則變化曲線將對應最多出現3個、4個、5個、…“窗口”及SSVEP振幅峰值.變化曲線中出現的“窗口”數目取決于光脈沖占空比.如果占空比的取值使產生沖動電位的視覺皮層細胞越多,首、末位兩個視覺皮層細胞產生沖動電位的時間差nωΔt就越大,則SSVEP的n次諧波振幅隨占空比變化變化曲線出現的“窗口”就越多.

由于SSVEP的平均總功率等于其各次諧波平均功率之和,且各次諧波平均功率等于對應諧波振幅的平方,因此SSVEP的各次諧波平均功率及總平均功率隨占空比變化曲線也存在多“窗口”效應.

在相同頻率和幅度的光脈沖作用下,不同受試者的視覺皮層細胞產生動作電位的閾值τs各異,產生神經沖動的視覺皮層細胞數量不一樣,因此SSVEP各次諧波振幅及其平均功率隨光脈沖占空比變化曲線出現的“窗口”數量及峰值也不相等.

2頻率和強度相等的光脈沖占空比對SSVEP影響實驗

2.1受試對象

選取6名受試志愿者,平均年齡24～26歲,視力正常,明確了解實驗目的和要求.

2.2實驗系統和環(huán)境

圖1　實驗系統示意圖

實驗系統如圖1所示,其中MP150多導電生理信號記錄分析系統為美國BIOPAC公司制造,配備的AcqKnowledge4.4軟件可進行可視化在線記錄和離線分析;護目鏡內置頻率和脈沖占空比可控的閃爍LED燈;DDS信號源提供LED燈驅動電平;基于10/20系統法,從導電帽Fz-O1和Fz-O2采集到的腦電信號分別輸至MP150中的Fz-O1和Fz-O2記錄模塊并顯示,其中O1、O2點為參考負極,Fz點為參考正極,公共接地電極取右耳垂處.測試在一黑暗、安靜的實驗室內進行.

2.3實驗方案

由于8～12Hz的閃光刺激可在大腦頭皮上產生較為顯著的SSVEP,同時考慮大腦皮層細胞的背景電活動頻率約為8～10Hz,本實驗LED閃光頻率設定為12Hz,以避免大腦皮層細胞背景電活動對實驗結果產生較大影響.左右護目鏡測試點固定,刺激光照度均為52.92Lux,受試志愿者暗適應背景光照度為0Lux.每一受試志愿者眼罩護目鏡,頭戴導電帽,坐勢舒適,測試其在12Hz,光強為52.92Lux,占空比分別為5%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%及95%的閃爍LED作用下的腦電信號變化情況.閃光刺激時間均為1min,每一組實驗重復三次;每個受試者無LED閃光刺激時的SSVEP各信號分量功率設為相應實驗的對照組;每名受試志愿者在實驗前均進行5min的黑暗環(huán)境適應.

2.4實驗數據處理和結果

由于SSVEP三次及更高階諧波能量很小,本文主要研究SSVEP中的基頻信號(12Hz)、二次諧波(24Hz)和三次諧波(36Hz)信號功率.實驗數據處理過程: 1) 分別測試12Hz、52.92Lux、不同占空比閃光刺激下每個受試者在Fz-O1(左腦枕區(qū))和Fz-O2(右腦枕區(qū))的SSVEP的基波、二次以及三次諧波分量的平均功率(為減去其無光刺激時相應對照組后的數據),三次重復實驗取均值. 2) 將每個受試者左、右枕區(qū)的基波、二次及三次諧波分別相加,取均值后得該受試者枕區(qū)點SSVEP的平均總功率P,其隨不同占空比變化結果如圖2所示.

(a) 第一受試者　　　　　　　　　　　　(b) 第二受試者

(c) 第三受試者　　　　　　　　　　　　(d) 第四受試者

圖2描述了6個受試志愿者在12Hz、52.92Lux及不同占空比閃爍光脈沖刺激下SSVEP的基波、二次及三次諧波平均總功率P的變化情況: 1) 在圖2(a)～圖2(c)及圖2(f)中,四個受試者的P值均在5%～30%占空比區(qū)間存在峰值,但在圖2(d)和圖2(e)中因占空比測試點不足而難以判斷該區(qū)間P的峰值是否存在; 2) 所有受試者均在40%～60%占空比取值區(qū)間P值出現峰值; 3) 圖2(a)～圖2(e)顯示的五個受試者的P值在70%～95%區(qū)間出現峰值,但圖2(f)在此范圍內的平均總功率P值同樣因占空比測試點較少而無法判斷其峰值存在與否.

(e) 第五受試者　　　　　　　　　　　　(f) 第六受試者圖2　SSVEP平均總功率P隨不同占空比變化結果

3討論

本文理論研究結果表明,在相同頻率和強度閃光脈沖刺激下,SSVEP各次諧波振幅及其平均功率隨占空比變化呈現“窗口”效應:當占空比小于某閾值τs時,其隨占空比的增加而增加;若占空比超過τs,其隨占空比的加大而減少.因為SSVEP的平均總功率等于各次諧波平均功率之和,因此SSVEP的平均總功率隨占空比變化同樣存在“窗口”效應. “窗口”效應具有多重性．

本文對六個受試志愿者在12Hz、光強為52.92Lux的閃光脈沖刺激下SSVEP的基波、二次及三次諧波的平均總功率P進行測試的結果表明,P值隨占空比變化呈現多“窗口”變化特性．對于圖2(d)、圖2(e)在5%～30%及圖2(f)在70%～95%占空比區(qū)間出現P峰值難以判斷的現象,可能的解釋是:視覺神經皮層細胞膜在沒有產生沖動電位之前,其細胞膜局部電位變化滿足時間和空間的疊加性,并隨光脈沖作用時間而增加.當局部電位逐漸加大超過閾值電位時,視覺皮層細胞產生神經沖動而產生動作電位.動作電位閾值因人而異,在相同頻率、強度及占空比閃爍光刺激脈沖作用下,不同受試者的視覺皮層細胞產生動作電位的閾值電位不同,由此產生動作電位的視覺皮層錐體細胞數量不一樣,因此在大腦頭皮上誘發(fā)的SSVEP各次諧波振幅及其平均功率峰值所對應的光脈沖占空比不同.當占空比在5%～30%區(qū)間變化時,對應5%、20%和30%三個測試點,圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)及圖2(f)中受試者SSVEP的基波、二次及三次諧波平均總功率P的取值能明確提示該區(qū)域有峰值,但對圖2(d)和圖2(e),難以僅僅通過其在上述三個測試點的P值來判斷該區(qū)域是否有P的峰值,需要選取更多的占空比測試點,才能清晰判斷該區(qū)域P峰值的存在．判斷圖2(f)在70%～95%的峰值是否存在,同樣也需要在該區(qū)域選擇更多的占空比測試點．本文實驗得到的SSVEP基波、二次及三次諧波平均總功率隨占空比變化呈現的多“窗口”關系和理論研究結果相符合.

文獻[5]通過實驗發(fā)現在2～30Hz條件下,當占空比在10%～90%間取值時,不論對哪一個頻率,SSVEP隨占空比的變化同樣存在“窗口”效應,SSVEP在占空比為60%～80%范圍內取值時最大.文獻[6]中的實驗研究結果表明,在占空比為10%～90%的閃光刺激LED光脈沖刺激下,SSVEP變化曲線同樣呈現“窗口”效應:當占空比從10%變化至40%時,誘發(fā)的SSVEP逐漸增強;當達到40%～50%的占空比時,SSVEP最強;而在占空比大于50%時,SSVEP隨占空比的增加而減少.文獻[7]則測試了13.16Hz閃爍光刺激下,占空比在10.5%和89.5%之間取值時SSVEP的變化情況,結果是存在一個反應占空比和SSVEP二者變化關系的“窗口”曲線,占空比在57.9%～73.3%范圍內取值時,SSVEP基波、二次和三次諧波的振幅總和最大.這些實驗結果同樣說明了SSVEP各次諧波振幅及其平均功率隨光脈沖占空比變化具有“窗口”效應.

光脈沖占空比對SSVEP各次諧波振幅及其平均功率影響所呈現的多“窗口”變化關系,說明了在一定頻率和幅度光脈沖刺激條件下,并非占空比越高,SSVEP各次諧波振幅及其平均功率就越大.SSVEP各次諧波振幅及其平均功率隨光占空比變化曲線存在的“窗口”變化,其個數、峰值大小及所對應的占空比均受外刺激光源、受試對象及其狀態(tài)等諸多因素的影響.

4結論

本文根據閃光刺激光脈沖作用下視覺皮層細胞產生沖動時其膜電流的變化特點,用磁偶極子等效產生沖動的視覺皮層細胞膜電流,然后根據電磁理論建立人體大腦頭皮SSVEP的計算模型.對該模型的研究結果表明在相同頻率和強度的閃爍光脈沖作用下,SSVEP各次諧波振幅及其平均功率受占空比影響呈現“窗口”效應:當占空比τ小于某個閾值τs時,二者與占空比是正相關的變化關系;當占空比大于τs時,其頻率隨τ的增加而減少;當τ等于τs時其為峰值.SSVEP各次諧波振幅及其平均功率隨光脈沖占空比變化曲線可出現多個“窗口”關系.閃爍光頻率、強度以及受試對象決定了該變化曲線中“窗口”出現的數量、SSVEP各次諧波振幅及其平均功率的峰值大小及其對應的占空比.在SSVEP研究中,根據光脈沖占空比對SSVEP影響的規(guī)律及實際需求來有效選擇適合的光脈沖占空比,對于SSVEP在腦機接口技術和醫(yī)學臨床診斷、治療中的有效應用很有意義.

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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

中圖分類號TN98

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2016)02-0319-07

DOI10.13443/j.cjors.2015061203

作者簡介

覃玉榮(1965-),女,廣西人,廣西大學計算機與電子信息學院教授,博士,研究方向為腦電信號處理及應用、生物電磁學.

龍安(1988-),女,廣西人,廣西大學計算機與電子信息學院碩士研究生,研究方向為腦電信號處理及應用.

劉凌伶(1991-),女,廣西人,廣西大學計算機與電子信息學院碩士研究生,研究方向為腦電信號處理及應用.

陳妮(1983-),女,廣西人,廣西醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院講師,研究方向為腦電信號處理及應用.

覃玉榮, 龍安, 劉凌伶,等. 不同占空比光刺激對穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的影響研究[J]. 電波科學學報,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

資助項目: 國家自然科學基金(No.61161009)； 廣西自然科學基金(No.2013GXNSFAA019341)

聯系人： 覃玉榮 E-mail: qyr111@163.com