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1、常州大学本科生毕业设计（论文翻译）学号： 09437125 常 州 大 学毕业设计（论文）外文翻译（2013）届）外文题目 Discrimination of left and right leg motor imagery for brain -computer interfaces 译文题目 脑 - 机接口上左、右腿运动想象的辨别 外文出处 Science 学 生 汤 旭 栋 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 通信091 校内指导教师 何可人 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 二一三年三月第 0 页 共 18 页 脑 - 机接口上左，右腿运动想象的辨别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/发表时间：2010年2月9日 © 医学和生物工程2010国际联合会内容提要 该文章报道了一项研究，来验证脑电图（EEG）信号有这样的潜力，可以通过精神运动想象（MMI）提供新的BCI通道。我们对腿运动进行了评估，来看左、右腿MMI是否能被脑电图识别。该研究还探讨了腿部运动作的同步观测，来作为提高MMI引起的脑电信号的一种手段。结果表明，左腿和右腿的MMI产生一个对侧优势异步的频带脑电波，这可以在空间上鉴别。这表明，下肢MMI可为信号提供额外

3、的BCI渠道。研究还表明，运动模仿增强处于MMI之间的异步频带，并可能为信号的识别和培训提供有用的帮助。关键词：精神运动想象脑机接口 EEG腿运动模仿P. Boord (&) 人才资源有限公司，Level 12, 235 Jones St, Ultimo,NSW 2007, 澳大利亚电子邮件： peter_boord A. Craig Y. Tran悉尼大学，康复研究单位澳大利亚，NSW 2112, 莱德，查尔斯街59号H. Nguyen信息技术与工程学院悉尼科技大学，百老汇15号澳大利亚， NSW 2007，Ultimo、 简介脑机接口（BCI系统）目前只限于在他们的能力范围内提供多

4、个命令信号。这限制了BCI对复杂的控制任务的使用，如轮椅控制和神经义肢4。BCI从前额皮层来操作一个手把神经假体成功的获取信号17。然而，BCI被一个单一的控制信号限制，并要求当操纵一个对象的时候，用户发出连续的“手动关闭”命令来操作神经假体达到保持握住的状态，这使随着时间的推移变得越来越困难。许多研究小组已经开发BCI，这种BCI采用从皮质运动区反应精神运动想象的脑信号 12, 18, 21。感觉皮质覆盖了频段的活动，它使运动或MMI减少或阻断了2秒20, 28, 29。这种衰减通常简称为失步，因为它被认为是大脑皮质的锥体神经元同步在减少2。对于手指或手，种异步在左、右手感觉皮层对对侧手指运

5、动或MMI的反应时发生的最为清楚。异步的非对称模式允许左，右手/手指MMI能在空间上区别，因此为两个独立BCI开关提供信号27。然而，-波频带失步脚的运动比手部运动26更难以检测， 这可能是由于解剖位置的脚的运动皮质区的内心深处对侧近中皮质1，28。左，右脚脚趾运动也产生近似对称反应图案，超过左和右的皮层，在和-频带，太相似而不能被鉴别19, 26,28, 29。因此，用的脚或脚趾的MMI只能用于一个单一的BCI开关16，23，24，32。在神经生理学的经典视图是感觉和运动皮层躯体组织，被称为生命体 3。在这种安排下，脚/脚趾运动区域表示位于近中皮质，大脑纵裂缝深处。相比之下，手表示

6、在皮质的上表层和它的侧面。这就解释了为什么在脑电图（EEG）中左手和右手的MMI可以在空间辨别，以及为什么左，右足部运动产生几乎相同的脑电图形。运动区皮质表示位于头皮表面皮质的顶部，但是，腿部MMI引起的脑电图尚未见到报道。因此，这篇文章的主要目的是评估左右腿MMI是否可以在脑电图中辨别。为了提高检测脑电图诱发腿的MMI的机会，本研究采用了一种新的基于运动模仿的技术。运动模仿已经表明激活相似的大脑区域的运动和MMI有相同的作用7。这项研究测试运动的模仿作为一种手段，来增强频带异步，用于检测潜在的BCI信号。2、 方法 2.1参与者这项研究包括了20个身强力壮的参加者，男18和女2，平均年龄为3

7、3.1±10.4岁。从这两名参与者得到的数据由于过量EEG的人工污染最后被丢弃了。参与者是从大学和医院的工作人员中随机选择的，排出他们的历史创伤性脑损伤报告。研究坚持“赫尔辛基宣言”的原则。伦理委员会的研究获得医院和大学伦理委员会的批准，在他们进入研究之前，每位参与者都收到知情同意书。2、2实验方法 收集MMI数据的任务延长一个协议，该协议由Pfurtscheller提出。该协议在计算机显示器上呈现的视觉线索，参与者根据指示做出回应。这一系列的线索包括左、右和向上的箭头，其中参与者根据指示，通过其左腿、右腿或双边扩展双腕各自的运动想象做出反应。一个单一的上肢运动就用在这项研究中，而不

8、是独立的左，右的手部动作，为了保持研究的总长度在2小时以下。这被认为是必要的，以便限制疲劳的发病，疲劳可以从执行单调任务中产生。我们选择双手运动而不是单手运动，以排除左右腿MMI任何潜在的偏差，这种偏差可能由于身体一侧反复的上肢运动/ MMI。每项试验的结构示于图1。每次测试以放置在屏幕中心的十字光标开始。在2秒一声警告响起刺激即将到来的提示。在3秒的时候，提示（左、右或向上箭头）叠加在十字光标上，出现1.25秒。参与者被命令，在箭头消失后立即开始运动想象。接下来的提示，在新的一次试验的开始之前的一段随机的时间长度在4到6秒之间。试验以随机顺序呈现，30次试验为一块，其中包括10次提示。每名参

9、与者完成了8块，为每次提示提供了80次试验。单块持续了6分钟，并且参与者在进行下一个块的试验之前有1分钟的时间休息，这使得参与者感到放松，最小化了他们潜在的疲劳。为了最大限度地提高对脑电图信号由腿MMI引起的变化检测的可能性，我们分两个组做试验进行了调查。第一组的试验是跟随提示从第一人称的角度来想象一个视频序列的移动，在此期间，参与者要求去想象模拟所呈现的运动。人们推测，模仿可以提高皮质失步，根据观察行动促进运动系统的证据表明，进而提高腿MMI的检测。视频序列也规范了受试者想象的运动，无形中降低了结果的可变性。第二组试验采用一个空白的屏幕演示下面的提示，在此期间，参与者被要求根据提示运动四肢来

10、想象。左腿的帧序列如图2所示。运动，如图所示，涉及的臀部抬起腿，在运动过程中保持膝盖和踝关节固定。试验的第一块始终显示视频序列试验，参与者被指示尽可能地在整个实验过程模仿和想象中的运动。在视频序列中的帧被提出以每秒25帧，因此，该运动所描绘的视频在大约1.5秒内完成。图2中的第一帧示出运动叠加在十字光标的提示。块试验和视频交替出现。参加者被随机分为两组，每组各10名参与者，其中一组指示他们根据向上的箭头运动他们的手，另一组被指示想象移动他们的手。这种设计允许在运动期间和MMI的大脑活动的比较。手部移动和手的MMI组被指示为左腿和右腿使用MMI。2、3数据收集 脑电图数据是从31个电极和Acti

11、veOne Biosemi数据采集系统中记录的（）。电极被放置在头皮上的运动皮层之上，如图3所示。电极Cz，C3，和Pz是根据国际10-20电极系统的规格来定位的15。为了最大限度地辨别三种不同的运动，附加的电极被放置在一个约2.5厘米的网格的前-后和内-外方向上，足以将位置在Cz和C3的电极之间的距离分成三份。此间距对应着空间分辨率的限制，该分辨率可以从EEG得到35。CMS（参考）电极置于距沿中线后方电极Pz3.5厘米处，DRL（接地）电极置于沿中线前的电极Fz的2.5厘米处。皮肤准备在各电极部位进行，以降低接触阻抗使之低于10 KX。EOG数据从4个信道记录，这4个信道是右眼的上方和下方

12、，在左和右外眼角下。EMG电极被放置在腿部，来监测活动期间任何潜在的肌肉的MMI。两个电极被放置在每个腿，离左和右股股直肌肌肉10厘米，它是负责膝关节延伸和髋关节屈曲纵向。在软件中计算每条腿的电极对之间的电压差，得到一个衡量股直肌肌肉活动的双极。这项措施被用于防止试验者在MMI的试验中收缩腿部肌肉。 EEG，EOG，和EMG数据在500赫兹进行低通滤波，并在2048赫兹的采样率速度下进行数字化。2、4人工去除 如果他们包含了大型运动或肌肉刺激，时代要被目测检查以及排出在外。用EEGLAB6 来进行独立成分分析（ICA），然后用来消除额外的眨眼，眼跳，或肌肉刺激14，34。ICA允许眨

13、眼，眼跳和肌肉的活动，基于这样的假设刺激一般都不会锁定到产生脑电活动的神经系统的过程，ICA可以分离和去除眨眼，眼跳和肌肉的活动，而这些活动是统计独立的，在头皮上呈线性混合14。我们已成功地在我们的实验室使用ICA删除眨眼，扫视，和肌肉刺激，以允许分析具有较高的信号 - 噪声比的大脑活动34。在本次研究中，两个受试者在几乎所有的试验中表现出过度的刺激，并且试图使用ICA删除这些是不会成功的。因此，我们决定不使用从这些受试者得来的数据，在这次研究中留下18名参与者。2、5 异步相关事件方法 根据电流保护规则，并从表面拉普拉斯算子计算，电流径向从皮层流向头皮上的电极等于流过电极表面的电流的总和。这

14、可以近似通过电极和临近的电极之间的双极性推导的总和形成，根据他们之间的距离进行加权11。使用拉普拉斯算子的好处是删除参考电极活动的效果，并获得一个下方的头皮局部神经的活动估计。本研究中所用的电极位置之间的相等距离允许拉普拉斯算子在没有精确的电极间距离测量值的情况下进行计算，而不是使用电极和临近的电极加权总和来计算。由于获得一个径向电流很好的估计是有难度的，所以排除边界电极，留下从16个电极上获得的数据用来做进一步分析，如图4所示。然后拉普拉斯算子衍生的EEG信号的试验在频率范围（8-13赫兹），平方以及整体平均中进行带通滤波。此时间-过程在异步事件相关（ERD）的百分比单元中表现相对于-波段功

15、率在1秒的“基线”分部，在试验开始后的0.5秒开始。过了1秒的时间间隔再用ERD方法来计算，在运动开始的那一刻，从试验开始后的4秒之后开始。频段在8-13赫兹频率范围内进行分析，该频率范围类似于其它运动和MMI研究中的所用的频率范围。频带ERD（-ERD）往往在一个固定的时间段来测量，例如提示在1秒内消失 25。然而，这种方法并不允许单个之间的时差或不同条件下的分析。然这造成了ERD水平比较的问题，例如，一个最大的ERD发生在所选择固定的时间周期这样的条件下，但是在不同条件下最大的ERD笨哦延迟并发生在固定的时间间隔之后。为了克服这个问题，并允许不同条件和个体的ERD的潜伏期，在每个单独的站点

16、对-ERD进行测定，通过在提示起效（试验开始后的3秒）后开始和试验开始后的7秒结束的时间间隔定位ERD 的峰值。这个过程是自动使用 LabView 中的自定义编写软件。-ERD峰值的测量报告中的结果，表示在相对于段基线功率的百分比单位。ERD被表示为负的百分比，以反映相对于基线的功率的减少，如在文献中采用的惯例25。 图3 EEG电极布局 图4 右腿的空白（黑线）和视频（灰线）显示条件的ERD地形图2、6统计分析 首先分析采用重复测量的方差分析来测试，如果运动模仿增强-波段ERD， 主体内变量包括(i) 显示（空白与视频），(ii)四肢 （双手、左腿与右腿），以及 (iii)站点，其中站点对应

17、于图4所示拉普拉斯衍生站点。第二个分析使用重复测量的方差分析来测试，如果使用频带 ERD可以区别左，右腿MMI。主体内变量包括显示（空白与视频），四肢（左腿与右腿），HEMI（大脑左半球与右半球），和站点，其中与拉普拉斯算子衍生的站点在左、右半球的站点形成6个镜像对(C3, C4), (CB, CE), (CC, CD), (CCPB,CCPF), (CCPC,CCPE), (CPPB, CPPD)。主体之间的活动变量（手部运动与手MMI）是用来表示给对象下达的指令，他们可以用自己的双手根据向上的箭头的提示做出相应的动作。对比分析用在主效应和交互作用的测试计划中。登陆测试，用于测试不同方向的重

18、要性。显著水平0.05被用于所有的统计检验测试。3、 结果3、1运动模仿 在所有的网站都显示条件时，左、右腿MMI产生了平均30左右的-ERD峰值。腿部MMI的-ERD峰值比空白显示条件（F（1，17）=9.2，P= 0.007）有更大的视频。在显示条件下的-ERD峰值的方向有着显著的差异，-ERD峰值的站点比在带有视频的腿部MMI相比于空白显示条件(登陆测试, 15/16 sites, p0.0005)大15/16倍。比较右腿MMI在空白（黑线）和视频（灰线）的条件下的更大的-ERD峰值可以在图4中清楚的看到。水平时间轴上的每一个波形在同步的基准水平上显示（即，在0.5和1.5秒之间的时间段

19、），向下偏转指示ERD和向上偏转表示异步相关事件（ERS）。垂直轴被定位在试验开始后的4秒。在手部动作（F（1,9）= 2.0，P = NS）或手MMI（F（1,7）= 0.002，P = NS）时，-ERD高峰值在空白和视频之间的差异并不显着。然而，在手的运动时-ERD高峰值的差异的方向是显著的，这体现在在视频模仿的每个站点(Sign Test, 16/16 sites, p0.00005)-ERD高峰值都很大。手部MMI的-ERD高峰值打差异方向并不明显(登陆测试, 10/16 sites, p = ns),可能是因为过度刺激两个主题被删掉，使得本组人数过少。3、2左，右腿MMI的辨别 图

20、5显示了-波段（8-13赫兹）活动在左（黑线）和右侧（灰线）腿MMI期间时间的叠加。-ERD峰值在提示起效（垂直线）后的2秒内达到最大值。左腿MMI与右腿的MMI相比，在右半球的站点显示更大的-ERD峰值。相比之下，左半球的很多站点在右腿MMI显示更大的-ERD峰值。肢体9HEMI互动是显著的（F(1, 17) = 23.9, p = 0.0001），表明腿部MMI在相反的半球产生更大的-ERD峰值。空白 (F(1,17) =25.4, p = 0.0001)和视频 (F(1,17) = 12.1, p = 0.003) 显示条件的部分互动对比都很显著。部分肢体3HEMI互动对比分别计算每个镜

21、像站点，以确定最有潜力的站点对左右腿MMI的辨别结果列于表1中。3HEMI肢体最大部分的互动可在镜像站点对 (CCPB, CCPF)的空白显示状态下观察到。然而，在这个视频展示条件下的3HEMI肢体的站点对是相对较小的，而且左腿的-ERD峰值也没有对侧优势。 图5（黑线）左，右腿MMI（灰线）ERD地形测绘每位受试者在空白显示的条件下的站点对的左右腿MMI的-ERD峰值的散点图3HEMI四肢部分互动的显示条件和镜像站点对显示在图6中。散点图中的对角线等于每个半球中的-ERD峰值。散点图显示，在空白显示条件的左右腿MMI可以辨别站点对上不对称-ERD峰值的脑电图，其中左半球中更大的异步表明右腿M

22、MI，左半球中更大的异步表示左腿MMI。使用此辨别处理方法的分类结果显示在表2中。正确分类的高比例支持在EEG中辨别左右腿MMI的假设。4、 讨论 这项研究表明三个主要的调查结果。第一，左和右腿的MMI在脑电图中产生不同的-ERD的图案。第二，来自左右腿MMI的-ERD根据运动的方位定侧，这提供了供给多个BCI命令的潜力。第三，在进行腿部MMI时模仿一个录影似的运动序列可显著提高-ERD。在这项研究中使用模仿的基础给了越来越多的证据表明，类似的神经网络也参与了行动观察，执行，运动，以及MMI7，9，10，13，22，31。猴子的神经元在运动前皮层，当一只猴子进行一项或观察一项由人或其他动物做的

23、运动时，运动皮层开始发放。这些所谓人类的“镜像神经元” 的证据是从经颅磁刺激（TMS）7，PET8，功能磁共振成像13，脑磁图（MEG）9，10，22，和脑电图的研究9 中积累的。一个MEG研究相比于行为观察，执行，和模仿，结果发现，这些任务都激活下额，感觉和枕区的皮质网络22。此外，模仿一种动作同时与另一种动作一起执行在每个皮质区产生更大的激活，这些皮层相比于自定进度的执行或观察同样的动作，感觉运动区在模仿时的激活水平的是在执行或观察时的两倍。在此基础上，证据表明运动和MMI有着相似的神经网络 5, 20，有人推测，模仿可以用来提高对BCI信号在运动和MMI期间的检测。模仿重复的视频序列可能

24、增强MMI中的-ERD，通过促进和更好地控制内部产生的MMI来激活感觉区域使之在实验中拥有更大的空间和取得时间上的一致性。 表1 腿部MMI中的每个镜像站点对部分互动的F-比例对比9HEMI四肢的-ERD峰值 表明左右腿MMI的-ERD峰值的对侧优势 图6 在空白显示状态下的左右腿MMI在镜像站点对(CCPB,CCPF) 的-ERD峰值的离散图 表2 在空白显示条件下，在站点CCPB 和 CCPF处的左右腿MMI不对称-ERD峰值的分类结果 分类左腿右腿正确13/18 (72%)15/18 (83%)错误5/18 (28%)3/18 (17%)如果是这样的情况，模仿视频序列通过帮助识别-ERD

25、外形图案良好的特征运动序列可能有利于BCI训练过程。MMI重复相同的视频序列可能会减少训练时间，用户需要实现高水平的BCI的准确性，这使得有时需要多个月没有保证的结果 30, 36。左右腿MMI的-ERD的明确对侧优势如图5所示，它由HEMI9四肢明显的互动(F(1,17) = 23.9, p = 0.0001)，和图1所示任何情况下在镜像站点四肢9HEMI部分显著的互动。如图6所示的散点图，是在点CCPB和它的镜像站点CCPF处的-ERD的峰值，说明了在全部个体中在小腿MMI以下的ERD在空间分布的方差。并且显示了广大的参与者的小腿MMI以下-ERD峰值的对侧优势的效果。该图显示，在左腿MM

26、I实验，18个人中有13个人（72%）的右半球站点比左半球镜像站点产生更大的-ERD峰值；而在右腿MMI实验，18个人中有15个人的左半球站点比右半球镜像站点产生更大的-ERD峰值。肢体9HEMI的-ERD峰值最大的互动点不同于空白和视频显示条件，如表1中所示，而且这表明不同的神经网络在每个显示条件下可能被激活。以往的镜像神经元系统的研究已经显示手部动作模仿的过程中可以增强手运动区的皮质刺激，但没有报道皮质激活位置的改变 22。本研究发现提高腿部运动的精神模仿的皮层运动区的激活，如图4所示。然而，在空白显示条件下-ERD峰值上的最大的四肢9HEMI 互动的站点对，在视频模仿期间左腿MMI与同侧

27、优势的-ERD峰值相关，如表1所示。该结果可能已经出现由于实验的数据不足以被平均来形成ERD波形。还需要进一步的研究来彻底看看在腿部MMI中的镜像神经元系统，并确定是否在视频模仿时提高-波段反应可以成为一个为BCI有效检测和增强信号的工具。这项研究的数据表明，2个甚至可能是3个BCI命令可能来自EEG信号对MMI下肢的反应。这第三个开关成为可能，如果ERD右和左腿模式可以从脚MMI来区分。一个潜在的问题可能会发生，在判别腿MMI从手MMI或手部动作想关的ERD模式。本研究发现，最重要的站点的分化（CCPB，CCPF）是相邻的站点，通常对手MMI和手部运动（C3，C4）最具反应。然而，因为腿部运

28、动区是生命体的运动区上最单侧化的下肢运动区，它可能会以微调的由腿MMI产生的ERD图案的空间位置，通过使用上腿部不同肌肉的MMI而不是本研究中所用的。参考文献 1. Allison T, McCarthy G, Luby M, Puce A, Spencer DD (1996)体感诱发电位记录和皮层刺激人的近中皮质功能区的定位。Electroenceph  临床神经生理学100:126-1402. Barlow JS (1993)脑波模式和起源。麻省理工学院出版社，剑桥，MA3. Bear M, Bear MF, Connors BW, Paradiso MA (2005) Neur

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