运动及想象运动时Mu波自相关研究

陈志华，王大鹏(大连交通大学软件学院，辽宁大连116028)*

运动及想象运动时Mu波自相关研究

陈志华，王大鹏
(大连交通大学软件学院，辽宁大连116028)*

为寻找当受试者真实运动和想象运动时Mu波的自相关规律，收集了20位受试者(男女各十人)的C3，C4，T3，T4脑电极Mu波数据，通过实验分析发现如下规律:①无论真实手动或想象手动，男生的Mu波自相关系数普遍大于女生.②对于所有受试者左手真实手动的自相关系数普遍大于左手想象运动，但右手没有相应的规律.③仅仅通过比较自相关系数无法辨别想象运动的方向.本次实验也验证了“Mu波抑制”现象与受试者性别、惯用手有关联.

Mu波; Mu波抑制;运动想象;自相关; EEG

0 引言

Mu波也叫Mu节律，在19世纪50年代被发现［1］.起初，由于Mu波只能在一部分人脑检测到，Mu波没有得到足够的重视［2］.然而，新的和更精密的技术表明: Mu波信号在几乎所有的健康成年人的脑皮层都能被检测到［3］.Mu波的频率在8～12 Hz，当进行神经活动时，Mu波明显增强，当进行物理运动时Mu波会明显衰退［4-6］.有观点认为Mu节律是大脑运动皮层的椎体神经元同步活动的电信号［7］.同时它也被认为是对镜像神经元的反映［8］.Mu波具有与Alpha波相似的频率，因此有学者认为Mu波是Alpha波的变形.然而，Alpha波在人闭眼时可以在大脑多个区域明显检测到，而Mu波主要是在感觉运动皮层(功能是协调肌肉运动和知觉以及控制关节运动).感觉运动皮层包括初级运动皮层和初级感觉皮层.大致位于人两耳之间的头顶区域.

Mu波抑制现象是指当受试者有运动行为时，Mu波振幅明显减弱的现象.Mu波抑制现象出现的前提不仅是真实的运动行为，研究表明，想象运动同样可以导致Mu波抑制［9］.Mu波抑制受到性别、惯用手的影响［10-11］.

1 方法

自相关，又被称为“滞后相关”或“序列相关”，是指信号在一个时刻的瞬时值与另一个时刻的瞬时值之间的依赖关系，是对一个随机信号的时域描述.自相关函数是一常见的数学方法，在各领域应用广泛.在信息分析中，通常将自相关函数称之为自协方差方程.用来描述信息在不同时间间隔下，信息函数值的相关性.

给定连续信号f( t)，时间间隔τ连续自相关函数

对于离散信号{ xn}，在时间间隔j下，离散自相关函数公式为:

计算自相关系数公式为:

自相关系数的变化范围由－1～+ 1，－1表示完全负相关，+1代表完全正相关.

2 实验

2.1受试者

本次实验共有20名受试者，男女各10名，年龄在20～25岁之间.所有的受试者均为右利手，身体健康，无脑疾病史.实验前受试者清洗头部以保证实验数据的准确性，在实验过程中，受试者被要求保持躯干静止以防止产生脑电伪差.

2.2实验过程

实验器具除专用脑电收集仪器外，有扶手椅一把、电脑显示器一台.实验开始前，受试者自然坐在于扶手椅，面向显示器，显示器距离受试者约50 cm，两手自然放在操作台上，实验中受试者被要求避免眨眼及大幅度躯体运动.实验开始前，受试者被要求闭眼放松30 s.

实验分为四部分:左手运动、右手运动、想象左手运动、想象右手运动.四部分实验依次进行.实验开始，受试者睁眼，电脑屏幕依次出现5 s空白，6 s十字号(准备标志)，3 s箭头，以及停止符(详见图1).在四部分实验中，箭头会依次指向左、右、左、右，受试者根据箭头方向，分别左手手指轻叩桌面，右手手指轻叩桌面，想象左手手指轻叩桌面，想象右手手指轻叩桌面.在两部分实验之间，有10 s的休息时间.此期间内，实验者会会对受试者进行提示.

图1 手动及想象手动实验流程

2.3实验数据的记录与分析

本次实验数据收集分析仪器是: Neurofax EEG－9100K ( NKC，Japan).实验中，脑电电阻被控制在5 kΩ下，采样频率设定为1 000 Hz，信号过滤频率设定为0.1～30 Hz.实验产生的脑电伪迹由一位资深教授处理.实验数据的采集采用19道导联方式，脑电极设置按国际脑电图学会联盟标准电极安装法10－20系统的导联位置，导联电极为Fpl、FpZ、Fz、F3、F4、Cz、C3、C4、Pz、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T3、T4、T5和T6，奇数表示大脑左侧，偶数表示大脑右侧.实验数据组要采用了C3 C4 T3 T4四组脑电极，原因是这四组脑电极的位置对应于Mu波出现的运动想象皮层.实验数据被取出后，导入MATLAB分析.

取出每组实验的前0.2 s(包含200个数据点)进行分析，由于Mu波信号的周期性，自相关系数也应该呈现类周期性变化.自相关系数将会从1开始下降后再上升，同时，由于Mu波抑制，自相关系数再次上升的顶点不会到达1.选取第一次上升的顶点作为自相关系数.由Mu波的周期性可知，该顶点对应的时间点为Mu波的周期时间(自相关点的选择见图2).

图2 自相关系数随时间的变化曲线

观察所有20个结果，周期时间均在0.1s附近.这与Mu波的频率在10Hz的前提相吻合［13］.根据性别不同分成两组，求出每组平局值，见表1.

表1 男、女生组的平均值

3 结论

由实验结果得出三个结论:

( 1)通过表1对比，对于相同实验的相同脑电极，男生平均结果普遍大于女生.根据前人的研究，不同性别的神经活动是有差异的.相比男性，在运动状态下，女性的Mu波更容易被抑制［13-14］.自相关系数反映了Mu波与其自身的相关性，如果Mu波抑制现象更强，自相关系数应该更小，实验结果与之吻合.因此，通过计算自相关系数，也验证了在运动状态下，女性的Mu波抑制程度超多男性这一结论;

( 2)观察表格发现，无论男女在想象手动时的平均自相关系数总是低于真是手动的自相关系数.根据Dennis J.McFarland在2000年的研究，通过分析运动状态和安静状态的能量谱、脑电地形图以及通过主成分分析发现:想象运动在这三方面均小于真实运动.本次实验通过计算自相关系数也验证了这一结论;

具体分析发现，当比较PLM(真实左手手动) 和ILM(想象左手手动)时，无论男女，PLM(真实左手手动)的自相关系数普遍大于ILM (想象左手手动).

在男生组中C3，C4，T4脑电极达到了100%，T3脑电极也达到80%.女生组中也有类似的现象.然而当对比PRM(真实右手手动)和IRM(想象右手手动)时，却没有类似的现象，无论男女组，PRM大于IRM的比率未超过60%.对于这一反常结果，研究者认为与所有受试者均为右利手有关.由于缺乏确切证据的支持，还需要进一步的研究;

( 3)想象运动的方向判别是当前研究的热点.研究者希望通过Mu波自相关系数判别想象运动的方向.按照电极的位置将电极分为两组，C3，T3位于大脑左半部，T3，T4位于大脑右半部.研究者希望通过对比四组实验时左右两侧大脑自相关系数，发现内在规律.然而，遗憾的是，除了当女生想象左手运动时，左侧普遍高于右侧，其他情况均呈现随机性.研究者认为单纯的依靠比较两侧自相关系数是不能辨别想象运动的方向.

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Mu Rhythm Auto-Correlative Research During Actual Movements and Motor Imagery

CHEN Zhihua，WANG Dapeng
( Software Institute，Dalian Jiaotong University，Dalian 116052，China)

The purpose of the experiment is to find the auto-correlation of Mu wave when the subject performs motor act or motor imagery.20 healthy subject Mu wave data ( 10 males and 10 females) are collected from the brain electrode C3，C4，T3 and T4.By calculating the autocorrelation coefficient of the Mu waves，it is found that ( i) No matter actual hand movement or imagined hand movement，and most of the male's autocorrelation coefficients are higher than female's.( ii) The auto-correlation coefficient of actual left-hand movement is always higher than imagined left-hand movement，but it is not similar for the right-hand.( iii) the direction of motor imagery cannot be judged only through comparing the autocorrelation.Through the study，it is also proved that Mu suppression is related to gender and handedness.

Mu wave; Mu suppression; motor imagery; autocorrelation;EEG

A

1673-9590( 2016) 01-0088-04

2014-09-23

陈志华( 1961－)，男，教授，博士，主要从事脑电波方面的研究

E-mail: zhc@ djtu.edu.cn.