張霞，楊翾，王勝，李婀娜，李娜，任亞莉

（隴東學院 智能制造學院，甘肅慶陽，745000）

腦– 機 接 口（Brain-Computer Interface，BCI）[1～2]是近幾年神經(jīng)工程領域內的一個研究熱點，它提供了一種全新的非肌肉輸出通道，可實現(xiàn)腦神經(jīng)信息與外部設備的直接通訊。運動想象腦電信號是應用于BCI 系統(tǒng)最多的腦電信號之一，而且運動想象（Motorimagery，MI）能夠促進受損傷的運動傳導通路修復或重建，使部分處于休眠狀態(tài)的神經(jīng)突觸蘇醒過來并擔當代償?shù)淖饔?。近年來借助BCI 技術的運動想象訓練已廣泛應用于神經(jīng)運動功能的康復訓練，成為一項很有潛力的康復訓練方法。

研究表明，人體在真實運動或者想象運動但無明顯動作輸出狀態(tài)下，大腦的感覺運動皮層區(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)象被稱為事件相關去同步（Eventrelated Desynchronization，ERD）現(xiàn)象。ERD 現(xiàn)象是腦電信號的基本特征，以ERD 特征分析為基礎的MI-BCI 運動功能康復方面具有重要意義。能否有效提取腦電信號中的ERD 特征是決定腦–機接口性能的關鍵，因此研究受試者何種刺激模式下會產(chǎn)生明顯的ERD 特至關重要[3～5]。

實驗以右手和左手抓握運動想象為任務，設計了4 種刺激模式，分別是：一是圖形符號、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，左右手抓握運動想象時激活的大腦皮質層的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，并將其應用于MI-BCI 系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)性能，改善用戶的認可度和接受度。

實驗程序采用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）進行設計，通過圖形化的交互界面來設置參數(shù)為腦電信號的采集和信號采集前的訓練提供了很大的方便，具有很好的參考和應用價值[6～7]。

1 任務模式及程序設計

4 種刺激模式分別是：一是圖形符號（→或←）；二是靜態(tài)文字+音頻（左手+“想象左手運動”或右手+“想象右手運動”）；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（以右手抓握運動想象為例）。一個試次10s，分為4個時段：0～2s為準備時間，出現(xiàn)紅圓盤；2～3s 為即將開始實驗，出現(xiàn)黃圓盤；3～8s 為任務期，受試者注視屏幕中的刺激模式進行右手或左手抓握運動想象任務；8～10s，出現(xiàn)綠圓盤，其間被試保持靜息放松狀態(tài)即可，等待下一個試次。

圖1 任務模式示意圖

程序設計流程如圖2 所示，實驗開始和結束都有相應提示語。共實驗采集5 組腦電信號，每組實驗包括40 單次任務，4 種刺激模式隨機出現(xiàn)，各10 個單次任務。

圖2 程序設計流程圖

每組腦電采集開始和結束時出現(xiàn)“滴…”聲，每組腦電采集結束會有“本節(jié)實驗結束，按任意鍵繼續(xù)…”提示，這樣可以讓被試充分休息，方便信號采集。

實驗開始發(fā)送Marker1，表示整個實驗的開始。每個Trial 發(fā)送一個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、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，不應太高，因為可能影響播放速度，命令窗口會有“視頻播放速度過慢，請壓縮視頻尺寸，或改善電腦配置”的信息提示。需要將屏幕刷新率設置為60Hz，否則命令窗口會出現(xiàn)“需要將屏幕刷新率設置為60Hz”的信息提示。實驗中，在5s 任務期，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 腦電信號采集系統(tǒng)設計

■2.1 GUIDE 設計過程

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

按照系統(tǒng)實現(xiàn)功能和設計思路在GUI 編輯界面中添加相應的控件，如圖3 所示。對每個控件的回調函數(shù)進行編程，達到預期要求的設計效果。

圖3 腦電信號采集系統(tǒng)編輯界面

GUI 界面設計完成后，需要對系統(tǒng)平臺進行測試，即要反復運行系統(tǒng)，修改程序，進行大量的驗證以確定該系統(tǒng)平臺能夠較好地實現(xiàn)預期功能。

■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)第一次啟動默認參數(shù)及選擇。

圖4 腦電信號采集界面

窗口界面由以下六部分組成：（1）參數(shù)調整區(qū)，由“窗口參數(shù)”“模式參數(shù)”“試次時間”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）運行時間顯示區(qū)，運行時間顯示在“運行時間”文本框中；（3）數(shù)據(jù)采集區(qū)，由“數(shù)據(jù)采集”中兩個可編輯文本框組成；（4）研究對象選擇區(qū)，由“研究對象”中兩個選擇按鍵組成；（5）程序運行區(qū)，由“運行”按鈕；（6）菜單區(qū)，有4 個菜單：“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。背景色默認是黑色，通過“背景色”三個可編輯文本框調整，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，如果輸錯會出現(xiàn)信息提示。

系統(tǒng)默認全屏打開刺激界面，可以指定窗口的位置和大小，“左上角”兩個文本框為窗口左上角的橫縱坐標值，“右下角”兩個文本框為窗口右下角的橫縱坐標值，坐標原點為屏幕的左上角。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 每個試次的運行時間

信息字體是指刺激界面任務期出現(xiàn)的“左手”或“右手”。提示字體是指圖6 中“歡迎參加實驗，按任意鍵開始”“本節(jié)實驗結束，按任意鍵繼續(xù)…”及“實驗任務完成，按任意鍵結束”。視頻尺寸兩個參數(shù)分別為長和高，如果視頻材料不符合這個尺寸，則視頻播放時會發(fā)生變形。箭頭尺寸，兩個參數(shù)分別為長和寬。

圖6 實驗界面

（3）試次時間：對應圖5 中的4 個時段。

（4）系統(tǒng)參數(shù)：“并口地址”根據(jù)所用電腦自行更改即可?！巴綔y試”若選“是”表示同步性檢測，若選“否”表示跳過同步性檢測，正式試驗中建議選“是”。

（5）運行時間：是指每個試次的運行時間，在程序運行結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)”兩個文本框進行修改，試次數(shù)必須為4 的整數(shù)倍，否則點擊“運行”按鈕會出現(xiàn)信息提示。

（7）研究對象：系統(tǒng)默認是右手，“左手”和“右手”可任意選擇，4 種刺激模式除黑屏外會做出對應的形式。

（8）程序運行：做好一切準備后，點擊“運行”按鈕即可。所有實驗界面如圖6 所示。

在圖6 實驗界面中，圖6(a)是實驗開始提示語；圖6(b)是2s 的準備時間；圖6(c)是即將開始實驗；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；即將想象和進行右手左腳同時抓握；圖6(k)是2s 的休息時間；圖6(l)是一個試次結束休息；圖6(m)是實驗結束提示語。

（9）菜單操作

點擊“說明文檔”，打開該系統(tǒng)說明文檔。點擊“箭頭”，打開箭頭圖片，是實驗程序中所用左右箭頭素材。“音頻”和“視頻”各有“左”和“右”兩個下拉菜單，點擊任何一個，會打開程序中用到的音頻、視頻文件。

（10）退出系統(tǒng)

點擊窗口右上角“×”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 結語

運動想象（MI）能夠促進受損傷的運動傳導通路修復或重建，使部分處于休眠狀態(tài)的神經(jīng)突觸蘇醒過來并擔當代償?shù)淖饔?。近年來借助BCI 技術的運動想象訓練已廣泛應用于神經(jīng)運動功能的康復訓練。文章對4 種刺激模式下左右手抓握運動想象時激活的大腦皮質層的ERD 特征進行了深入分析和研究，為多模式、高精度的運動意圖解碼提供了科學基礎。通過MATLABGUIDE 圖形化的交互界面來設置參數(shù)，為腦電信號的采集和信號采集前的訓練提供了方便，具有很好的參考和應用價值。