多模式刺激下运动想象脑电信号采集实验设计

张霞，杨翾，王胜，李婀娜，李娜，任亚莉

（陇东学院 智能制造学院，甘肃庆阳，745000）

脑– 机 接 口（Brain-Computer Interface，BCI）[1～2]是近几年神经工程领域内的一个研究热点，它提供了一种全新的非肌肉输出通道，可实现脑神经信息与外部设备的直接通讯。运动想象脑电信号是应用于BCI 系统最多的脑电信号之一，而且运动想象（Motorimagery，MI）能够促进受损伤的运动传导通路修复或重建，使部分处于休眠状态的神经突触苏醒过来并担当代偿的作用。近年来借助BCI 技术的运动想象训练已广泛应用于神经运动功能的康复训练，成为一项很有潜力的康复训练方法。

研究表明，人体在真实运动或者想象运动但无明显动作输出状态下，大脑的感觉运动皮层区处于活跃状态，具体表现为特定频段的脑电能量出现明显的下降，这种现象被称为事件相关去同步（Eventrelated Desynchronization，ERD）现象。ERD 现象是脑电信号的基本特征，以ERD 特征分析为基础的MI-BCI 运动功能康复方面具有重要意义。能否有效提取脑电信号中的ERD 特征是决定脑–机接口性能的关键，因此研究受试者何种刺激模式下会产生明显的ERD 特至关重要[3～5]。

实验以右手和左手抓握运动想象为任务，设计了4 种刺激模式，分别是：一是图形符号、二是静态文字+音频、三是视频、四是黑屏。研究这4 种刺激模式下，左右手抓握运动想象时激活的大脑皮质层的ERD 特征有何不同，以寻找能够激发最深激活程度和最广激活范围的刺激模式，并将其应用于MI-BCI 系统中，提高系统性能，改善用户的认可度和接受度。

实验程序采用PSYCHTOOLBOX（PTB）工具箱编写，图形用户界面开发环境（Graphic User Interface Development Environment，GUIDE）进行设计，通过图形化的交互界面来设置参数为脑电信号的采集和信号采集前的训练提供了很大的方便，具有很好的参考和应用价值[6～7]。

1 任务模式及程序设计

4 种刺激模式分别是：一是图形符号（→或←）；二是静态文字+音频（左手+“想象左手运动”或右手+“想象右手运动”）；三是视频（左手或右手抓握视频）；四是黑屏。刺激模式示意图如图1 所示（以右手抓握运动想象为例）。一个试次10s，分为4个时段：0～2s为准备时间，出现红圆盘；2～3s 为即将开始实验，出现黄圆盘；3～8s 为任务期，受试者注视屏幕中的刺激模式进行右手或左手抓握运动想象任务；8～10s，出现绿圆盘，其间被试保持静息放松状态即可，等待下一个试次。

图1 任务模式示意图

程序设计流程如图2 所示，实验开始和结束都有相应提示语。共实验采集5 组脑电信号，每组实验包括40 单次任务，4 种刺激模式随机出现，各10 个单次任务。

图2 程序设计流程图

每组脑电采集开始和结束时出现“滴…”声，每组脑电采集结束会有“本节实验结束，按任意键继续…”提示，这样可以让被试充分休息，方便信号采集。

实验开始发送Marker1，表示整个实验的开始。每个Trial 发送一个Marerk，出现在红色圆盘开始呈现的瞬间，为三位数：第一位无意义；第二位1 表示左手，2 表示右手；第3 位数1234 分别表示4 种刺激模式，即图形符号、静态文字+音频、视频及黑屏。

音频材料为采样率一致的单声道音频。视频帧速率为30Hz，视频材料的分辨率建议为360p，不应太高，因为可能影响播放速度，命令窗口会有“视频播放速度过慢，请压缩视频尺寸，或改善电脑配置”的信息提示。需要将屏幕刷新率设置为60Hz，否则命令窗口会出现“需要将屏幕刷新率设置为60Hz”的信息提示。实验中，在5s 任务期，按ESC 可以退出程序，命令窗口出现“用户终止程序”的信息提示。

2 脑电信号采集系统设计

■2.1 GUIDE 设计过程

MATLAB 图形用户界面GUI 是指由窗口、菜单、图标、光标、按键、对话框和文本框等各种图形对象组成的用户界面，它允许用户定制与MATLAB 的交互方式。GUIDE 是MATLAB 提供的用于GUI 界面设计的工具，具有“所见即所得”的特性，操作简单，用户可以根据需要在GUI 组件布局编辑器中添加控件对象，设置控件属性，保存文件后会生成相应的.fig 图形文件和.m 脚本文件。

按照系统实现功能和设计思路在GUI 编辑界面中添加相应的控件，如图3 所示。对每个控件的回调函数进行编程，达到预期要求的设计效果。

图3 脑电信号采集系统编辑界面

GUI 界面设计完成后，需要对系统平台进行测试，即要反复运行系统，修改程序，进行大量的验证以确定该系统平台能够较好地实现预期功能。

■2.2 采集系统界面

GUIDE 操作界面如图4 所示，文本框中的参数及按键选择为系统第一次启动默认参数及选择。

图4 脑电信号采集界面

窗口界面由以下六部分组成：（1）参数调整区，由“窗口参数”“模式参数”“试次时间”及“系统参数”四部分中的可编辑文本框和选择按键组成；（2）运行时间显示区，运行时间显示在“运行时间”文本框中；（3）数据采集区，由“数据采集”中两个可编辑文本框组成；（4）研究对象选择区，由“研究对象”中两个选择按键组成；（5）程序运行区，由“运行”按钮；（6）菜单区，有4 个菜单：“说明文档”“箭头”“音频”及“视频”。

■2.3 系统操作说明

（1）窗口参数：可改变刺激界面及窗口的背景色置和大小。背景色默认是黑色，通过“背景色”三个可编辑文本框调整，文本框中输入0～255 之间的整数即可，该数字是三原色的值，如果输错会出现信息提示。

系统默认全屏打开刺激界面，可以指定窗口的位置和大小，“左上角”两个文本框为窗口左上角的横纵坐标值，“右下角”两个文本框为窗口右下角的横纵坐标值，坐标原点为屏幕的左上角。输入参数前首先让“全屏显示”按键处于未选中状态。

（2）模式参数：即图5 中各元素的参数。

图5 每个试次的运行时间

信息字体是指刺激界面任务期出现的“左手”或“右手”。提示字体是指图6 中“欢迎参加实验，按任意键开始”“本节实验结束，按任意键继续…”及“实验任务完成，按任意键结束”。视频尺寸两个参数分别为长和高，如果视频材料不符合这个尺寸，则视频播放时会发生变形。箭头尺寸，两个参数分别为长和宽。

图6 实验界面

（3）试次时间：对应图5 中的4 个时段。

（4）系统参数：“并口地址”根据所用电脑自行更改即可。“同步测试”若选“是”表示同步性检测，若选“否”表示跳过同步性检测，正式试验中建议选“是”。

（5）运行时间：是指每个试次的运行时间，在程序运行结束后显示在该文本框中，如图5 所示。

（6）数据采集：由“组数”和“试次数”两个文本框进行修改，试次数必须为4 的整数倍，否则点击“运行”按钮会出现信息提示。

（7）研究对象：系统默认是右手，“左手”和“右手”可任意选择，4 种刺激模式除黑屏外会做出对应的形式。

（8）程序运行：做好一切准备后，点击“运行”按钮即可。所有实验界面如图6 所示。

在图6 实验界面中，图6(a)是实验开始提示语；图6(b)是2s 的准备时间；图6(c)是即将开始实验；图6(d)、(f)及(h)是想象左手抓握；图6(e)、(j)和(i)是想象右手抓握；图6(j)是黑屏；即将想象和进行右手左脚同时抓握；图6(k)是2s 的休息时间；图6(l)是一个试次结束休息；图6(m)是实验结束提示语。

（9）菜单操作

点击“说明文档”，打开该系统说明文档。点击“箭头”，打开箭头图片，是实验程序中所用左右箭头素材。“音频”和“视频”各有“左”和“右”两个下拉菜单，点击任何一个，会打开程序中用到的音频、视频文件。

（10）退出系统

点击窗口右上角“×”按钮，出现如图7所示的信息提示，选择“是”即可。

图7 “退出系统”信息提示

3 结语

运动想象（MI）能够促进受损伤的运动传导通路修复或重建，使部分处于休眠状态的神经突触苏醒过来并担当代偿的作用。近年来借助BCI 技术的运动想象训练已广泛应用于神经运动功能的康复训练。文章对4 种刺激模式下左右手抓握运动想象时激活的大脑皮质层的ERD 特征进行了深入分析和研究，为多模式、高精度的运动意图解码提供了科学基础。通过MATLABGUIDE 图形化的交互界面来设置参数，为脑电信号的采集和信号采集前的训练提供了方便，具有很好的参考和应用价值。