張霞，楊翾，王勝，李婀娜，李娜，任亞莉

（隴東學(xué)院 智能制造學(xué)院，甘肅慶陽，745000）

腦– 機(jī) 接 口（Brain-Computer Interface，BCI）[1～2]是近幾年神經(jīng)工程領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它提供了一種全新的非肌肉輸出通道，可實(shí)現(xiàn)腦神經(jīng)信息與外部設(shè)備的直接通訊。運(yùn)動(dòng)想象腦電信號(hào)是應(yīng)用于BCI 系統(tǒng)最多的腦電信號(hào)之一，而且運(yùn)動(dòng)想象（Motorimagery，MI）能夠促進(jìn)受損傷的運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路修復(fù)或重建，使部分處于休眠狀態(tài)的神經(jīng)突觸蘇醒過來并擔(dān)當(dāng)代償?shù)淖饔?。近年來借助BCI 技術(shù)的運(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，成為一項(xiàng)很有潛力的康復(fù)訓(xùn)練方法。

研究表明，人體在真實(shí)運(yùn)動(dòng)或者想象運(yùn)動(dòng)但無明顯動(dòng)作輸出狀態(tài)下，大腦的感覺運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)處于活躍狀態(tài)，具體表現(xiàn)為特定頻段的腦電能量出現(xiàn)明顯的下降，這種現(xiàn)象被稱為事件相關(guān)去同步（Eventrelated Desynchronization，ERD）現(xiàn)象。ERD 現(xiàn)象是腦電信號(hào)的基本特征，以ERD 特征分析為基礎(chǔ)的MI-BCI 運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)方面具有重要意義。能否有效提取腦電信號(hào)中的ERD 特征是決定腦–機(jī)接口性能的關(guān)鍵，因此研究受試者何種刺激模式下會(huì)產(chǎn)生明顯的ERD 特至關(guān)重要[3～5]。

實(shí)驗(yàn)以右手和左手抓握運(yùn)動(dòng)想象為任務(wù)，設(shè)計(jì)了4 種刺激模式，分別是：一是圖形符號(hào)、二是靜態(tài)文字+音頻、三是視頻、四是黑屏。研究這4 種刺激模式下，左右手抓握運(yùn)動(dòng)想象時(shí)激活的大腦皮質(zhì)層的ERD 特征有何不同，以尋找能夠激發(fā)最深激活程度和最廣激活范圍的刺激模式，并將其應(yīng)用于MI-BCI 系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)性能，改善用戶的認(rèn)可度和接受度。

實(shí)驗(yàn)程序采用PSYCHTOOLBOX（PTB）工具箱編寫，圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Graphic User Interface Development Environment，GUIDE）進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過圖形化的交互界面來設(shè)置參數(shù)為腦電信號(hào)的采集和信號(hào)采集前的訓(xùn)練提供了很大的方便，具有很好的參考和應(yīng)用價(jià)值[6～7]。

1 任務(wù)模式及程序設(shè)計(jì)

4 種刺激模式分別是：一是圖形符號(hào)（→或←）；二是靜態(tài)文字+音頻（左手+“想象左手運(yùn)動(dòng)”或右手+“想象右手運(yùn)動(dòng)”）；三是視頻（左手或右手抓握視頻）；四是黑屏。刺激模式示意圖如圖1 所示（以右手抓握運(yùn)動(dòng)想象為例）。一個(gè)試次10s，分為4個(gè)時(shí)段：0～2s為準(zhǔn)備時(shí)間，出現(xiàn)紅圓盤；2～3s 為即將開始實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)黃圓盤；3～8s 為任務(wù)期，受試者注視屏幕中的刺激模式進(jìn)行右手或左手抓握運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)；8～10s，出現(xiàn)綠圓盤，其間被試保持靜息放松狀態(tài)即可，等待下一個(gè)試次。

圖1 任務(wù)模式示意圖

程序設(shè)計(jì)流程如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束都有相應(yīng)提示語。共實(shí)驗(yàn)采集5 組腦電信號(hào)，每組實(shí)驗(yàn)包括40 單次任務(wù)，4 種刺激模式隨機(jī)出現(xiàn)，各10 個(gè)單次任務(wù)。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

每組腦電采集開始和結(jié)束時(shí)出現(xiàn)“滴…”聲，每組腦電采集結(jié)束會(huì)有“本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按任意鍵繼續(xù)…”提示，這樣可以讓被試充分休息，方便信號(hào)采集。

實(shí)驗(yàn)開始發(fā)送Marker1，表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的開始。每個(gè)Trial 發(fā)送一個(gè)Marerk，出現(xiàn)在紅色圓盤開始呈現(xiàn)的瞬間，為三位數(shù)：第一位無意義；第二位1 表示左手，2 表示右手；第3 位數(shù)1234 分別表示4 種刺激模式，即圖形符號(hào)、靜態(tài)文字+音頻、視頻及黑屏。

音頻材料為采樣率一致的單聲道音頻。視頻幀速率為30Hz，視頻材料的分辨率建議為360p，不應(yīng)太高，因?yàn)榭赡苡绊懖シ潘俣?，命令窗口?huì)有“視頻播放速度過慢，請(qǐng)壓縮視頻尺寸，或改善電腦配置”的信息提示。需要將屏幕刷新率設(shè)置為60Hz，否則命令窗口會(huì)出現(xiàn)“需要將屏幕刷新率設(shè)置為60Hz”的信息提示。實(shí)驗(yàn)中，在5s 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。

2 腦電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 GUIDE 設(shè)計(jì)過程

MATLAB 圖形用戶界面GUI 是指由窗口、菜單、圖標(biāo)、光標(biāo)、按鍵、對(duì)話框和文本框等各種圖形對(duì)象組成的用戶界面，它允許用戶定制與MATLAB 的交互方式。GUIDE 是MATLAB 提供的用于GUI 界面設(shè)計(jì)的工具，具有“所見即所得”的特性，操作簡(jiǎn)單，用戶可以根據(jù)需要在GUI 組件布局編輯器中添加控件對(duì)象，設(shè)置控件屬性，保存文件后會(huì)生成相應(yīng)的.fig 圖形文件和.m 腳本文件。

按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和設(shè)計(jì)思路在GUI 編輯界面中添加相應(yīng)的控件，如圖3 所示。對(duì)每個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行編程，達(dá)到預(yù)期要求的設(shè)計(jì)效果。

圖3 腦電信號(hào)采集系統(tǒng)編輯界面

GUI 界面設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，即要反復(fù)運(yùn)行系統(tǒng)，修改程序，進(jìn)行大量的驗(yàn)證以確定該系統(tǒng)平臺(tái)能夠較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

■2.2 采集系統(tǒng)界面

GUIDE 操作界面如圖4 所示，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)及選擇。

圖4 腦電信號(hào)采集界面

窗口界面由以下六部分組成：（1）參數(shù)調(diào)整區(qū)，由“窗口參數(shù)”“模式參數(shù)”“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；（2）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；（3）數(shù)據(jù)采集區(qū)，由“數(shù)據(jù)采集”中兩個(gè)可編輯文本框組成；（4）研究對(duì)象選擇區(qū)，由“研究對(duì)象”中兩個(gè)選擇按鍵組成；（5）程序運(yùn)行區(qū)，由“運(yùn)行”按鈕；（6）菜單區(qū)，有4 個(gè)菜單：“說明文檔”“箭頭”“音頻”及“視頻”。

■2.3 系統(tǒng)操作說明

（1）窗口參數(shù)：可改變刺激界面及窗口的背景色置和大小。背景色默認(rèn)是黑色，通過“背景色”三個(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。

系統(tǒng)默認(rèn)全屏打開刺激界面，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5 中各元素的參數(shù)。

圖5 每個(gè)試次的運(yùn)行時(shí)間

信息字體是指刺激界面任務(wù)期出現(xiàn)的“左手”或“右手”。提示字體是指圖6 中“歡迎參加實(shí)驗(yàn)，按任意鍵開始”“本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按任意鍵繼續(xù)…”及“實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成，按任意鍵結(jié)束”。視頻尺寸兩個(gè)參數(shù)分別為長(zhǎng)和高，如果視頻材料不符合這個(gè)尺寸，則視頻播放時(shí)會(huì)發(fā)生變形。箭頭尺寸，兩個(gè)參數(shù)分別為長(zhǎng)和寬。

圖6 實(shí)驗(yàn)界面

（3）試次時(shí)間：對(duì)應(yīng)圖5 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。“同步測(cè)試”若選“是”表示同步性檢測(cè)，若選“否”表示跳過同步性檢測(cè)，正式試驗(yàn)中建議選“是”。

（5）運(yùn)行時(shí)間：是指每個(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，如圖5 所示。

（6）數(shù)據(jù)采集：由“組數(shù)”和“試次數(shù)”兩個(gè)文本框進(jìn)行修改，試次數(shù)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。

（7）研究對(duì)象：系統(tǒng)默認(rèn)是右手，“左手”和“右手”可任意選擇，4 種刺激模式除黑屏外會(huì)做出對(duì)應(yīng)的形式。

（8）程序運(yùn)行：做好一切準(zhǔn)備后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕即可。所有實(shí)驗(yàn)界面如圖6 所示。

在圖6 實(shí)驗(yàn)界面中，圖6(a)是實(shí)驗(yàn)開始提示語；圖6(b)是2s 的準(zhǔn)備時(shí)間；圖6(c)是即將開始實(shí)驗(yàn)；圖6(d)、(f)及(h)是想象左手抓握；圖6(e)、(j)和(i)是想象右手抓握；圖6(j)是黑屏；即將想象和進(jìn)行右手左腳同時(shí)抓握；圖6(k)是2s 的休息時(shí)間；圖6(l)是一個(gè)試次結(jié)束休息；圖6(m)是實(shí)驗(yàn)結(jié)束提示語。

（9）菜單操作

點(diǎn)擊“說明文檔”，打開該系統(tǒng)說明文檔。點(diǎn)擊“箭頭”，打開箭頭圖片，是實(shí)驗(yàn)程序中所用左右箭頭素材?！耙纛l”和“視頻”各有“左”和“右”兩個(gè)下拉菜單，點(diǎn)擊任何一個(gè)，會(huì)打開程序中用到的音頻、視頻文件。

（10）退出系統(tǒng)

點(diǎn)擊窗口右上角“×”按鈕，出現(xiàn)如圖7所示的信息提示，選擇“是”即可。

圖7 “退出系統(tǒng)”信息提示

3 結(jié)語

運(yùn)動(dòng)想象（MI）能夠促進(jìn)受損傷的運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路修復(fù)或重建，使部分處于休眠狀態(tài)的神經(jīng)突觸蘇醒過來并擔(dān)當(dāng)代償?shù)淖饔?。近年來借助BCI 技術(shù)的運(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。文章對(duì)4 種刺激模式下左右手抓握運(yùn)動(dòng)想象時(shí)激活的大腦皮質(zhì)層的ERD 特征進(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MATLABGUIDE 圖形化的交互界面來設(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。