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1、常州大學本科生畢業(yè)設計（論文翻譯）學號： 09437125 常 州 大 學畢業(yè)設計（論文）外文翻譯（2013）屆）外文題目 Discrimination of left and right leg motor imagery for brain -computer interfaces 譯文題目 腦 - 機接口上左、右腿運動想象的辨別 外文出處 Science 學 生 湯 旭 棟 學 院 信息科學與工程學院 專 業(yè) 班 級 通信091 校內指導教師 何可人 專業(yè)技術職務 副教授 校外指導老師 專業(yè)技術職務 二一三年三月第 0 頁 共 18 頁 腦 - 機接口上左，右腿運動想象的辨別Peter

2、Boord Ashley Craig Yvonne Tran Hung Nguyen收稿日期：2009年3月29日/接受日期：2010年1月7日/發(fā)表時間：2010年2月9日 醫(yī)學和生物工程2010國際聯(lián)合會內容提要 該文章報道了一項研究，來驗證腦電圖（EEG）信號有這樣的潛力，可以通過精神運動想象（MMI）提供新的BCI通道。我們對腿運動進行了評估，來看左、右腿MMI是否能被腦電圖識別。該研究還探討了腿部運動作的同步觀測，來作為提高MMI引起的腦電信號的一種手段。結果表明，左腿和右腿的MMI產(chǎn)生一個對側優(yōu)勢異步的頻帶腦電波，這可以在空間上鑒別。這表明，下肢MMI可為信號提供額外的BCI渠道。

3、研究還表明，運動模仿增強處于MMI之間的異步頻帶，并可能為信號的識別和培訓提供有用的幫助。關鍵詞：精神運動想象腦機接口 EEG腿運動模仿P. Boord (&) 人才資源有限公司，Level 12, 235 Jones St, Ultimo,NSW 2007, 澳大利亞電子郵件： peter_boord A. Craig Y. Tran悉尼大學，康復研究單位澳大利亞，NSW 2112, 萊德，查爾斯街59號H. Nguyen信息技術與工程學院悉尼科技大學，百老匯15號澳大利亞， NSW 2007，Ultimo、 簡介腦機接口（BCI系統(tǒng)）目前只限于在他們的能力范圍內提供多個命令信號。這限制了B

4、CI對復雜的控制任務的使用，如輪椅控制和神經(jīng)義肢4。BCI從前額皮層來操作一個手把神經(jīng)假體成功的獲取信號17。然而，BCI被一個單一的控制信號限制，并要求當操縱一個對象的時候，用戶發(fā)出連續(xù)的“手動關閉”命令來操作神經(jīng)假體達到保持握住的狀態(tài)，這使隨著時間的推移變得越來越困難。許多研究小組已經(jīng)開發(fā)BCI，這種BCI采用從皮質運動區(qū)反應精神運動想象的腦信號 12, 18, 21。感覺皮質覆蓋了頻段的活動，它使運動或MMI減少或阻斷了2秒20, 28, 29。這種衰減通常簡稱為失步，因為它被認為是大腦皮質的錐體神經(jīng)元同步在減少2。對于手指或手，種異步在左、右手感覺皮層對對側手指運動或MMI的反應時發(fā)生

5、的最為清楚。異步的非對稱模式允許左，右手/手指MMI能在空間上區(qū)別，因此為兩個獨立BCI開關提供信號27。然而，-波頻帶失步腳的運動比手部運動26更難以檢測，這可能是由于解剖位置的腳的運動皮質區(qū)的內心深處對側近中皮質1，28。左，右腳腳趾運動也產(chǎn)生近似對稱反應圖案，超過左和右的皮層，在和-頻帶，太相似而不能被鑒別19, 26,28, 29。因此，用的腳或腳趾的MMI只能用于一個單一的BCI開關16，23，24，32。在神經(jīng)生理學的經(jīng)典視圖是感覺和運動皮層軀體組織，被稱為生命體 3。在這種安排下，腳/腳趾運動區(qū)域表示位于近中皮質，大腦縱裂縫深處。相比之下，手表示在皮質的上表層和它的側面。這就解釋

6、了為什么在腦電圖（EEG）中左手和右手的MMI可以在空間辨別，以及為什么左，右足部運動產(chǎn)生幾乎相同的腦電圖形。運動區(qū)皮質表示位于頭皮表面皮質的頂部，但是，腿部MMI引起的腦電圖尚未見到報道。因此，這篇文章的主要目的是評估左右腿MMI是否可以在腦電圖中辨別。為了提高檢測腦電圖誘發(fā)腿的MMI的機會，本研究采用了一種新的基于運動模仿的技術。運動模仿已經(jīng)表明激活相似的大腦區(qū)域的運動和MMI有相同的作用7。這項研究測試運動的模仿作為一種手段，來增強頻帶異步，用于檢測潛在的BCI信號。2、 方法 2.1參與者這項研究包括了20個身強力壯的參加者，男18和女2，平均年齡為33.110.4歲。從這兩名參與者得

7、到的數(shù)據(jù)由于過量EEG的人工污染最后被丟棄了。參與者是從大學和醫(yī)院的工作人員中隨機選擇的，排出他們的歷史創(chuàng)傷性腦損傷報告。研究堅持“赫爾辛基宣言”的原則。倫理委員會的研究獲得醫(yī)院和大學倫理委員會的批準，在他們進入研究之前，每位參與者都收到知情同意書。2、2實驗方法 收集MMI數(shù)據(jù)的任務延長一個協(xié)議，該協(xié)議由Pfurtscheller提出。該協(xié)議在計算機顯示器上呈現(xiàn)的視覺線索，參與者根據(jù)指示做出回應。這一系列的線索包括左、右和向上的箭頭，其中參與者根據(jù)指示，通過其左腿、右腿或雙邊擴展雙腕各自的運動想象做出反應。一個單一的上肢運動就用在這項研究中，而不是獨立的左，右的手部動作，為了保持研究的總長度

8、在2小時以下。這被認為是必要的，以便限制疲勞的發(fā)病，疲勞可以從執(zhí)行單調任務中產(chǎn)生。我們選擇雙手運動而不是單手運動，以排除左右腿MMI任何潛在的偏差，這種偏差可能由于身體一側反復的上肢運動/ MMI。每項試驗的結構示于圖1。每次測試以放置在屏幕中心的十字光標開始。在2秒一聲警告響起刺激即將到來的提示。在3秒的時候，提示（左、右或向上箭頭）疊加在十字光標上，出現(xiàn)1.25秒。參與者被命令，在箭頭消失后立即開始運動想象。接下來的提示，在新的一次試驗的開始之前的一段隨機的時間長度在4到6秒之間。試驗以隨機順序呈現(xiàn)，30次試驗為一塊，其中包括10次提示。每名參與者完成了8塊，為每次提示提供了80次試驗。單

9、塊持續(xù)了6分鐘，并且參與者在進行下一個塊的試驗之前有1分鐘的時間休息，這使得參與者感到放松，最小化了他們潛在的疲勞。為了最大限度地提高對腦電圖信號由腿MMI引起的變化檢測的可能性，我們分兩個組做試驗進行了調查。第一組的試驗是跟隨提示從第一人稱的角度來想象一個視頻序列的移動，在此期間，參與者要求去想象模擬所呈現(xiàn)的運動。人們推測，模仿可以提高皮質失步，根據(jù)觀察行動促進運動系統(tǒng)的證據(jù)表明，進而提高腿MMI的檢測。視頻序列也規(guī)范了受試者想象的運動，無形中降低了結果的可變性。第二組試驗采用一個空白的屏幕演示下面的提示，在此期間，參與者被要求根據(jù)提示運動四肢來想象。左腿的幀序列如圖2所示。運動，如圖所示，

10、涉及的臀部抬起腿，在運動過程中保持膝蓋和踝關節(jié)固定。試驗的第一塊始終顯示視頻序列試驗，參與者被指示盡可能地在整個實驗過程模仿和想象中的運動。在視頻序列中的幀被提出以每秒25幀，因此，該運動所描繪的視頻在大約1.5秒內完成。圖2中的第一幀示出運動疊加在十字光標的提示。塊試驗和視頻交替出現(xiàn)。參加者被隨機分為兩組，每組各10名參與者，其中一組指示他們根據(jù)向上的箭頭運動他們的手，另一組被指示想象移動他們的手。這種設計允許在運動期間和MMI的大腦活動的比較。手部移動和手的MMI組被指示為左腿和右腿使用MMI。2、3數(shù)據(jù)收集 腦電圖數(shù)據(jù)是從31個電極和ActiveOne Biosemi數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中記錄的

11、（）。電極被放置在頭皮上的運動皮層之上，如圖3所示。電極Cz，C3，和Pz是根據(jù)國際10-20電極系統(tǒng)的規(guī)格來定位的15。為了最大限度地辨別三種不同的運動，附加的電極被放置在一個約2.5厘米的網(wǎng)格的前-后和內-外方向上，足以將位置在Cz和C3的電極之間的距離分成三份。此間距對應著空間分辨率的限制，該分辨率可以從EEG得到35。CMS（參考）電極置于距沿中線后方電極Pz3.5厘米處，DRL（接地）電極置于沿中線前的電極Fz的2.5厘米處。皮膚準備在各電極部位進行，以降低接觸阻抗使之低于10 KX。EOG數(shù)據(jù)從4個信道記錄，這4個信道是右眼的上方和下方，在左和右外眼角下。EMG電極被放置在腿部，來

12、監(jiān)測活動期間任何潛在的肌肉的MMI。兩個電極被放置在每個腿，離左和右股股直肌肌肉10厘米，它是負責膝關節(jié)延伸和髖關節(jié)屈曲縱向。在軟件中計算每條腿的電極對之間的電壓差，得到一個衡量股直肌肌肉活動的雙極。這項措施被用于防止試驗者在MMI的試驗中收縮腿部肌肉。EEG，EOG，和EMG數(shù)據(jù)在500赫茲進行低通濾波，并在2048赫茲的采樣率速度下進行數(shù)字化。2、4人工去除 如果他們包含了大型運動或肌肉刺激，時代要被目測檢查以及排出在外。用EEGLAB6 來進行獨立成分分析（ICA），然后用來消除額外的眨眼，眼跳，或肌肉刺激14，34。ICA允許眨眼，眼跳和肌肉的活動，基于這樣的假設刺激一般都不會鎖定到產(chǎn)

13、生腦電活動的神經(jīng)系統(tǒng)的過程，ICA可以分離和去除眨眼，眼跳和肌肉的活動，而這些活動是統(tǒng)計獨立的，在頭皮上呈線性混合14。我們已成功地在我們的實驗室使用ICA刪除眨眼，掃視，和肌肉刺激，以允許分析具有較高的信號 - 噪聲比的大腦活動34。在本次研究中，兩個受試者在幾乎所有的試驗中表現(xiàn)出過度的刺激，并且試圖使用ICA刪除這些是不會成功的。因此，我們決定不使用從這些受試者得來的數(shù)據(jù)，在這次研究中留下18名參與者。2、5 異步相關事件方法 根據(jù)電流保護規(guī)則，并從表面拉普拉斯算子計算，電流徑向從皮層流向頭皮上的電極等于流過電極表面的電流的總和。這可以近似通過電極和臨近的電極之間的雙極性推導的總和形成，根

14、據(jù)他們之間的距離進行加權11。使用拉普拉斯算子的好處是刪除參考電極活動的效果，并獲得一個下方的頭皮局部神經(jīng)的活動估計。本研究中所用的電極位置之間的相等距離允許拉普拉斯算子在沒有精確的電極間距離測量值的情況下進行計算，而不是使用電極和臨近的電極加權總和來計算。由于獲得一個徑向電流很好的估計是有難度的，所以排除邊界電極，留下從16個電極上獲得的數(shù)據(jù)用來做進一步分析，如圖4所示。然后拉普拉斯算子衍生的EEG信號的試驗在頻率范圍（8-13赫茲），平方以及整體平均中進行帶通濾波。此時間-過程在異步事件相關（ERD）的百分比單元中表現(xiàn)相對于-波段功率在1秒的“基線”分部，在試驗開始后的0.5秒開始。過了1

15、秒的時間間隔再用ERD方法來計算，在運動開始的那一刻，從試驗開始后的4秒之后開始。頻段在8-13赫茲頻率范圍內進行分析，該頻率范圍類似于其它運動和MMI研究中的所用的頻率范圍。頻帶ERD（-ERD）往往在一個固定的時間段來測量，例如提示在1秒內消失 25。然而，這種方法并不允許單個之間的時差或不同條件下的分析。然這造成了ERD水平比較的問題，例如，一個最大的ERD發(fā)生在所選擇固定的時間周期這樣的條件下，但是在不同條件下最大的ERD笨哦延遲并發(fā)生在固定的時間間隔之后。為了克服這個問題，并允許不同條件和個體的ERD的潛伏期，在每個單獨的站點對-ERD進行測定，通過在提示起效（試驗開始后的3秒）后開

16、始和試驗開始后的7秒結束的時間間隔定位ERD 的峰值。這個過程是自動使用 LabView 中的自定義編寫軟件。-ERD峰值的測量報告中的結果，表示在相對于段基線功率的百分比單位。ERD被表示為負的百分比，以反映相對于基線的功率的減少，如在文獻中采用的慣例25。 圖3 EEG電極布局 圖4 右腿的空白（黑線）和視頻（灰線）顯示條件的ERD地形圖2、6統(tǒng)計分析 首先分析采用重復測量的方差分析來測試，如果運動模仿增強-波段ERD， 主體內變量包括(i) 顯示（空白與視頻），(ii)四肢 （雙手、左腿與右腿），以及 (iii)站點，其中站點對應于圖4所示拉普拉斯衍生站點。第二個分析使用重復測量的方差分

17、析來測試，如果使用頻帶 ERD可以區(qū)別左，右腿MMI。主體內變量包括顯示（空白與視頻），四肢（左腿與右腿），HEMI（大腦左半球與右半球），和站點，其中與拉普拉斯算子衍生的站點在左、右半球的站點形成6個鏡像對(C3, C4), (CB, CE), (CC, CD), (CCPB,CCPF), (CCPC,CCPE), (CPPB, CPPD)。主體之間的活動變量（手部運動與手MMI）是用來表示給對象下達的指令，他們可以用自己的雙手根據(jù)向上的箭頭的提示做出相應的動作。對比分析用在主效應和交互作用的測試計劃中。登陸測試，用于測試不同方向的重要性。顯著水平0.05被用于所有的統(tǒng)計檢驗測試。3、 結果

18、3、1運動模仿 在所有的網(wǎng)站都顯示條件時，左、右腿MMI產(chǎn)生了平均30左右的-ERD峰值。腿部MMI的-ERD峰值比空白顯示條件（F（1，17）=9.2，P= 0.007）有更大的視頻。在顯示條件下的-ERD峰值的方向有著顯著的差異，-ERD峰值的站點比在帶有視頻的腿部MMI相比于空白顯示條件(登陸測試, 15/16 sites, p0.0005)大15/16倍。比較右腿MMI在空白（黑線）和視頻（灰線）的條件下的更大的-ERD峰值可以在圖4中清楚的看到。水平時間軸上的每一個波形在同步的基準水平上顯示（即，在0.5和1.5秒之間的時間段），向下偏轉指示ERD和向上偏轉表示異步相關事件（ERS）

19、。垂直軸被定位在試驗開始后的4秒。在手部動作（F（1,9）= 2.0，P = NS）或手MMI（F（1,7）= 0.002，P = NS）時，-ERD高峰值在空白和視頻之間的差異并不顯著。然而，在手的運動時-ERD高峰值的差異的方向是顯著的，這體現(xiàn)在在視頻模仿的每個站點(Sign Test, 16/16 sites, p0.00005)-ERD高峰值都很大。手部MMI的-ERD高峰值打差異方向并不明顯(登陸測試, 10/16 sites, p = ns),可能是因為過度刺激兩個主題被刪掉，使得本組人數(shù)過少。3、2左，右腿MMI的辨別 圖5顯示了-波段（8-13赫茲）活動在左（黑線）和右側（灰線

20、）腿MMI期間時間的疊加。-ERD峰值在提示起效（垂直線）后的2秒內達到最大值。左腿MMI與右腿的MMI相比，在右半球的站點顯示更大的-ERD峰值。相比之下，左半球的很多站點在右腿MMI顯示更大的-ERD峰值。肢體9HEMI互動是顯著的（F(1, 17) = 23.9, p = 0.0001），表明腿部MMI在相反的半球產(chǎn)生更大的-ERD峰值?？瞻?(F(1,17) =25.4, p = 0.0001)和視頻 (F(1,17) = 12.1, p = 0.003) 顯示條件的部分互動對比都很顯著。部分肢體3HEMI互動對比分別計算每個鏡像站點，以確定最有潛力的站點對左右腿MMI的辨別結果列于表

21、1中。3HEMI肢體最大部分的互動可在鏡像站點對 (CCPB, CCPF)的空白顯示狀態(tài)下觀察到。然而，在這個視頻展示條件下的3HEMI肢體的站點對是相對較小的，而且左腿的-ERD峰值也沒有對側優(yōu)勢。 圖5（黑線）左，右腿MMI（灰線）ERD地形測繪每位受試者在空白顯示的條件下的站點對的左右腿MMI的-ERD峰值的散點圖3HEMI四肢部分互動的顯示條件和鏡像站點對顯示在圖6中。散點圖中的對角線等于每個半球中的-ERD峰值。散點圖顯示，在空白顯示條件的左右腿MMI可以辨別站點對上不對稱-ERD峰值的腦電圖，其中左半球中更大的異步表明右腿MMI，左半球中更大的異步表示左腿MMI。使用此辨別處理方法

22、的分類結果顯示在表2中。正確分類的高比例支持在EEG中辨別左右腿MMI的假設。4、 討論 這項研究表明三個主要的調查結果。第一，左和右腿的MMI在腦電圖中產(chǎn)生不同的-ERD的圖案。第二，來自左右腿MMI的-ERD根據(jù)運動的方位定側，這提供了供給多個BCI命令的潛力。第三，在進行腿部MMI時模仿一個錄影似的運動序列可顯著提高-ERD。在這項研究中使用模仿的基礎給了越來越多的證據(jù)表明，類似的神經(jīng)網(wǎng)絡也參與了行動觀察，執(zhí)行，運動，以及MMI7，9，10，13，22，31。猴子的神經(jīng)元在運動前皮層，當一只猴子進行一項或觀察一項由人或其他動物做的運動時，運動皮層開始發(fā)放。這些所謂人類的“鏡像神經(jīng)元” 的

23、證據(jù)是從經(jīng)顱磁刺激（TMS）7，PET8，功能磁共振成像13，腦磁圖（MEG）9，10，22，和腦電圖的研究9 中積累的。一個MEG研究相比于行為觀察，執(zhí)行，和模仿，結果發(fā)現(xiàn)，這些任務都激活下額，感覺和枕區(qū)的皮質網(wǎng)絡22。此外，模仿一種動作同時與另一種動作一起執(zhí)行在每個皮質區(qū)產(chǎn)生更大的激活，這些皮層相比于自定進度的執(zhí)行或觀察同樣的動作，感覺運動區(qū)在模仿時的激活水平的是在執(zhí)行或觀察時的兩倍。在此基礎上，證據(jù)表明運動和MMI有著相似的神經(jīng)網(wǎng)絡 5, 20，有人推測，模仿可以用來提高對BCI信號在運動和MMI期間的檢測。模仿重復的視頻序列可能增強MMI中的-ERD，通過促進和更好地控制內部產(chǎn)生的MM

24、I來激活感覺區(qū)域使之在實驗中擁有更大的空間和取得時間上的一致性。 表1 腿部MMI中的每個鏡像站點對部分互動的F-比例對比9HEMI四肢的-ERD峰值 表明左右腿MMI的-ERD峰值的對側優(yōu)勢 圖6 在空白顯示狀態(tài)下的左右腿MMI在鏡像站點對(CCPB,CCPF) 的-ERD峰值的離散圖 表2 在空白顯示條件下，在站點CCPB 和 CCPF處的左右腿MMI不對稱-ERD峰值的分類結果 分類左腿右腿正確13/18 (72%)15/18 (83%)錯誤5/18 (28%)3/18 (17%)如果是這樣的情況，模仿視頻序列通過幫助識別-ERD外形圖案良好的特征運動序列可能有利于BCI訓練過程。MMI

25、重復相同的視頻序列可能會減少訓練時間，用戶需要實現(xiàn)高水平的BCI的準確性，這使得有時需要多個月沒有保證的結果 30, 36。左右腿MMI的-ERD的明確對側優(yōu)勢如圖5所示，它由HEMI9四肢明顯的互動(F(1,17) = 23.9, p = 0.0001)，和圖1所示任何情況下在鏡像站點四肢9HEMI部分顯著的互動。如圖6所示的散點圖，是在點CCPB和它的鏡像站點CCPF處的-ERD的峰值，說明了在全部個體中在小腿MMI以下的ERD在空間分布的方差。并且顯示了廣大的參與者的小腿MMI以下-ERD峰值的對側優(yōu)勢的效果。該圖顯示，在左腿MMI實驗，18個人中有13個人（72%）的右半球站點比左半球

26、鏡像站點產(chǎn)生更大的-ERD峰值；而在右腿MMI實驗，18個人中有15個人的左半球站點比右半球鏡像站點產(chǎn)生更大的-ERD峰值。肢體9HEMI的-ERD峰值最大的互動點不同于空白和視頻顯示條件，如表1中所示，而且這表明不同的神經(jīng)網(wǎng)絡在每個顯示條件下可能被激活。以往的鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)的研究已經(jīng)顯示手部動作模仿的過程中可以增強手運動區(qū)的皮質刺激，但沒有報道皮質激活位置的改變 22。本研究發(fā)現(xiàn)提高腿部運動的精神模仿的皮層運動區(qū)的激活，如圖4所示。然而，在空白顯示條件下-ERD峰值上的最大的四肢9HEMI 互動的站點對，在視頻模仿期間左腿MMI與同側優(yōu)勢的-ERD峰值相關，如表1所示。該結果可能已經(jīng)出現(xiàn)由于

27、實驗的數(shù)據(jù)不足以被平均來形成ERD波形。還需要進一步的研究來徹底看看在腿部MMI中的鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，并確定是否在視頻模仿時提高-波段反應可以成為一個為BCI有效檢測和增強信號的工具。這項研究的數(shù)據(jù)表明，2個甚至可能是3個BCI命令可能來自EEG信號對MMI下肢的反應。這第三個開關成為可能，如果ERD右和左腿模式可以從腳MMI來區(qū)分。一個潛在的問題可能會發(fā)生，在判別腿MMI從手MMI或手部動作想關的ERD模式。本研究發(fā)現(xiàn)，最重要的站點的分化（CCPB，CCPF）是相鄰的站點，通常對手MMI和手部運動（C3，C4）最具反應。然而，因為腿部運動區(qū)是生命體的運動區(qū)上最單側化的下肢運動區(qū)，它可能會以微調

28、的由腿MMI產(chǎn)生的ERD圖案的空間位置，通過使用上腿部不同肌肉的MMI而不是本研究中所用的。參考文獻 1. Allison T, McCarthy G, Luby M, Puce A, Spencer DD (1996)體感誘發(fā)電位記錄和皮層刺激人的近中皮質功能區(qū)的定位。Electroenceph 臨床神經(jīng)生理學100:126-1402. Barlow JS (1993)腦波模式和起源。麻省理工學院出版社，劍橋，MA3. Bear M, Bear MF, Connors BW, Paradiso MA (2005) Neuroscience:探索的大腦，第二版。Williams and Wil

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