伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象方案設計

吳宏健 ，李龍 ，郭璟 ，李莉娜 ，劉天 ，王玨

1.西安交通大學生物醫(yī)學信息工程教育部重點實驗室，神經功能信息學與康復工程民政部重點實驗室，生命科學與技術學院，健康與康復科學研究所，陜西西安市710049；2.國家醫(yī)療保健器具工程技術研究中心，陜西西安市710049

腦卒中后往往造成嚴重后遺癥，伴語言、聽力和肢體運動功能障礙等[1]。由于日常生活大部分任務都需要手主導或配合，腦卒中后手功能障礙對患者日常生活有嚴重影響[2]。

傳統(tǒng)手功能康復主要通過藥物、針刺和作業(yè)療法等進行。隨著生物醫(yī)學工程發(fā)展，手功能康復機器人被廣泛應用[3-5]；腦機接口技術也逐漸應用到手功能康復機器人中，且進行了臨床實驗，康復效果有明顯提高[6-9]。

現階段腦控手功能康復機器人多采用箭頭提示的方式引導被試進行左手或右手運動想象[10]，提取腦電信號特征控制機器人。這種方式需要被試提前進行訓練，否則分類正確率較低。本文提出伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象范式，對未經訓練的被試更加友好，容易激發(fā)運動想象，可提高運動想象分類準確率。

1 設計

傳統(tǒng)的運動想象主要采用左右箭頭提示，引導被試進行左手或右手運動想象，想象的動作形式不限，被試可以自由發(fā)揮。本范式采用圖片的形式進行呈現，內容包含手握筆和繪畫內容，引導被試想象繪畫動作；繪畫內容有兩種，一種是規(guī)則直線，要求被試者根據圖片提示想象以一定頻率繪制等間距直線，即伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象；另一種是隨機涂畫，要求被試根據圖片提示想象在屏幕上無規(guī)則隨意涂畫，即無規(guī)則節(jié)律運動想象。

運動想象的生理學基礎是鏡像神經元。鏡像神經元是指在單純進行運動動作想象時，運動感覺區(qū)域也會有神經元活躍[11-12]。在進行運動想象時會激活對側腦區(qū)，導致血流量和供氧量增加，α和β頻帶能量降低，發(fā)生去同步現象，同側腦區(qū)能量升高，發(fā)生同步化現象[13]。觀察腦電信號的去同步化和同步化現象是判斷運動想象總體效果的重要途徑。利用時頻分析可以直觀且全面地查看同步和去同步效應[14]。

短時傅立葉變換是一種快速有效的時頻分析方法[15]。選擇合適的滑動窗口，在信號上進行滑動，對窗口內信號序列進行快速傅立葉變化，生成二維矩陣；將矩陣映射成二維圖譜，橫軸代表時間，縱軸表示頻率變化范圍。本文采用短時傅立葉變換對腦電信號進行分析，移動窗口為漢明窗，窗口長度400信號點，步長為10。

左右手運動想象分類主要包括特征提取和分類算法兩個部分。本文采用經典的共同空間模式特征提取算法[16-19]和Fisher線性分類算法[20-22]。共同空間模式通過變換矩陣，將原始信號投影到新的空間，使新空間生成的信號在兩種任務態(tài)下方差最大，易于分類。Fisher線性分類將提取的特征向量通過變換矩陣映射到一維線性空間，尋找最佳閾值切割一維線性空間，將輸入的特征向量分成兩類進行輸出。

2 對象與方法

2018年4月，選取本院在讀研究生10名，男女各5名，平均年齡24歲，身體健康，均為右利手。所有測試均在上午完成。

實驗分為三個模塊，傳統(tǒng)箭頭引導模塊、伴隨規(guī)則節(jié)律運動想象模塊和無規(guī)則節(jié)律運動想象模塊。每個模塊包含8組運動想象實驗，左右手運動想象各4組，每組10次。每次運動想象5 s，休息3 s，共8 s。每組開始前休息10 s，每組實驗時間共90 s。組間休息1 min，實驗總時長約1 h。各組隨機交替進行。

腦電采集設備采用g.tec公司的16導聯放大器，采樣頻率600 Hz。每名被試進行三個模塊實驗。預處理對腦電信號進行6～30 Hz濾波，然后按8 s切段，其中前3 s為休息階段，后5 s為運動想象階段。

3 結果

分類前，先進行時間頻率分析。圖1為各被試時間頻率疊加平均圖譜，可以看出，伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象相比傳統(tǒng)范式有更明顯的去同步化和同步化現象。

利用共同空間模式結合Fisher分類的方法對所有被試進行運動想象分類。見表1。伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象范式的分類正確率明顯提高。方差分析顯示，左右手運動想象時，伴隨規(guī)則節(jié)律的范式正確率都優(yōu)于其他兩種范式(F=14.94,P＜0.001)。

4 討論

本文提出一種伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象方案，能在未經過訓練的被試身上發(fā)現明顯的去同步化和同步化現象，與傳統(tǒng)箭頭范式和無規(guī)則節(jié)律運動想象范式相比，分類正確率明顯提高。

圖1 運動想象時頻分析

表1 不同運動想象范式的分類正確率

明確的目標和對象有助于運動想象[13,23]。伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象有更強烈的目標感和更具體的任務對象；節(jié)律本身對運動想象有影響。人類在進行記憶和學習時，高頻度重復更容易加強神經突觸間的連接，提升學習效率。運動想象也是一種學習行為，將動作執(zhí)行的真實動作在腦中規(guī)劃與演練，通過規(guī)則節(jié)律進行運動想象，可以降低運動想象難度，提升訓練效果。在臨床康復中，腦機接口技術的應用能幫助患者完成主動康復訓練[24]，促使患者將主觀意愿加入到治療過程中[25-26]，縮短康復周期。本文提出的伴隨規(guī)則節(jié)律的運動想象方案，能夠提升學習效率，降低運動想象難度?？梢試L試將該方案應用到腦機接口主動康復訓練中，以進一步提高主動康復的療效。