复合肢体运动想象脑电信号采集实验设计*

郑 海，胡 涛，梁宽宽，任亚莉

（陇东学院电气工程学院，甘肃 庆阳 745000）

脑-机接口[1-2]（Brain-Computer Interface，BCI）是近几年神经工程领域内一个研究热点，提供了一种全新的非肌肉输出通道，实现了脑神经信息与外部设备的直接通信。运动想象（Motor Imagery，MI）脑电信号是应用于BCI最多的脑电信号之一，MI-BCI目前主要有四类简单肢体运动想象，如左手、右手、左脚、右脚和舌部动作，且可选动作范式少。同步性复合肢体运动想象可涉及更多肢体，如上肢包括手、前臂、后臂，下肢包括脚、小腿、大腿，同步性复合肢体运动想象能满足MI-BCI多指令集输出的需求[3-4]。

实验在简单肢体运动想象的基础上，建立了两类手脚联动的同步性复合肢体运动想象，程序采用PSYCHTOOLBOX工具箱编写，图形用户界面开发环境MATLAB GUIDE进行设计，通过图形化的交互界面来设置参数，为脑电信号的采集和信号采集前的训练提供了便利[5]。

1 任务模式及程序设计

设计了五类思维任务，包括两类简单肢体运动想象任务、两类同步性复合肢体运动想象任务和静息态任务。两类简单肢体运动想象任务选择MI-BCI领域研究较多的左手、右手MI任务，实施方案为抓握动作。两类同步性复合肢体运动想象任务同时涉及到上肢运动和下肢运动，设计为左手和右脚协同动作以及右手和左脚协同动作，实施方案分别为左手右脚同时抓握动作或右手左脚同时抓握动作。

任务模式示意图见图1，这是任务态数据采集模式示意图，每个trial 10 s，分为4个时段：0～2 s为准备时间，屏幕出现注视点“+”；2～3 s为即将开始实验，出现斜单向或双向箭头，提示被试（即受试者）即将进行哪种实验任务；3～8 s为任务期，被试注视屏幕中以文字形式出现的任务模式进行相应的运动想象任务；8～10 s，出现“Rest”，期间被试保持静息态放松即可，等待下一个试次。

图1 任务模式示意图

实验共分为两部分：一部分为MI任务下的脑电图（ElectroEncephaloGram，EEG）数据采集（称为任务态实验）；另一部分为静息态EEG数据采集（称为静息态实验）。MI任务共有8组，每组40 trial，四类MI范式随机出现，各含有10 trial；静息态数据只有一组，包括80 trial。程序设计流程见第102页图2，实验开始和实验结束都有相应信息提示语。

图2 程序设计流程图

实验先进行任务态数据采集，再进行静息态数据采集。每组脑电信号采集开始和结束时出现“滴……”声，每组脑电信号采集结束会有“本节实验结束，按任意键继续……”信息提示语，这样可以让被试充分休息，方便信号采集。

任务态实验开始，发送marker 1，表示整个实验的开始。每个trial发送一个marker，出现在注视点“+”开始呈现的瞬间，为三位数：101表示左手；102表示右手；103表示左手右脚；104表示右手左脚。

静息态实验开始，发送marker 2，105发送在静息态的每个trial开始瞬间，在静息态数据采集期间，屏幕一直呈现“Rest”，直到实验结束。

需要将屏幕刷新率设置为60 Hz，否则命令窗口会出现“需要将屏幕刷新率设置为60 Hz”的信息提示语。实验中，在5 s任务期，按ESC可以退出程序，命令窗口出现“用户终止程序”的信息提示语。

2 信号采集系统设计

MATLAB GUIDE操作界面见图3，文本框中的参数及按键选择为系统第一次启动默认参数及按键选择。窗口界面由以下五部分组成：一是参数调整区，由“窗口参数”“模式参数”“任务态试次时间”及“系统参数”四部分中的可编辑文本框和选择按键组成；二是数据采集区，由“任务态数据采集”和“静息态数据采集”两部分组成；三是运行时间显示区，运行时间显示在“运行时间”文本框中；四是程序运行区，主要是“运行”按钮；五是菜单区，有2个菜单：“说明文档”和“箭头”。

图3 MATLAB GUIDE操作界面

3 信号采集系统操作说明

1）窗口参数：可改变操作界面及窗口的背景色、位置和大小。背景色默认是黑色，通过“背景色”3个可编辑文本框调整，文本框中输入0～255之间的整数即可，该数字是三原色的值，如果输错会出现信息提示语。系统默认全屏打开操作界面，可以指定窗口的位置和大小，“左上角”两个文本框为窗口左上角的横纵坐标值，“右下角”两个文本框为窗口右下角的横纵坐标值，坐标原点为屏幕的左上角。输入参数前首先让“全屏显示”按键处于未选中状态。

2）模式参数：即图1中各元素参数的调整。一是注视点文本框，是指十字注视点的尺寸。二是信息字体，是指操作界面任务期出现的“左手”“右手”“左手右脚”及“右手左脚”。三是提示字体，是指图2中“欢迎参加实验，按任意键开始”“本节实验结束，按任意键继续……”“任务态完成，按任意键开始静息态”及“实验任务完成，按任意键结束”。四是箭头角度，是指单向箭头和双向箭头的倾斜角度。五是箭头尺寸，两个参数分别为长和宽。六是字体距离，两个参数分别为文字和屏幕中心点的水平偏差及垂直偏差，该值越大越远离屏幕中心点。

3）任务态试次时间：对应图1中的4个时段。

4）系统参数：“并口地址”根据所用电脑自行更改即可。“同步测试”若选“是”表示同步性检测，若选“否”表示跳过同步性检测，正式实验中建议选“是”。

5）数据采集：在“任务态数据采集”和“静息态数据采集”的四个文本框中输入需要的数字即可，其中文本框“试次数”输入数字必须为4的整数倍，否则点击“运行”按钮会出现信息提示语。

6）运行时间：是指任务态每个试次的运行时间，在程序运行结束后显示在该文本框中，见图4。

图4 任务态每个试次的运行时间

7）程序运行：做好一切准备后，点击“运行”按钮即可。

实验界面见图5。图5-a是实验开始信息提示语；图5-b是2 s的准备时间；图5-c、图5-d是即将想象和进行左手抓握；图5-e、图5-f是即将想象和进行右手抓握；图5-g、5-h是即将想象和进行左手右脚同时抓握；图5-i、图5-j是即将想象和进行右手左脚同时抓握；图5-k是2 s的休息时间；图5-l是一个试次结束休息；图5-m是提示任务态数据采集结束，进行静息态数据采集；图5-n是实验结束信息提示语。

图5 实验界面

4 结束语

目前借助BCI技术，运动想象训练已广泛应用于神经运动功能的康复训练，并成为一项很有潜力的康复训练方法。本文对新型同步性复合肢体运动想象范式进行了深入分析和研究，为多模式、高精度的运动意图解码提供了科学基础。通过MATLAB GUIDE图形化的交互界面来设置参数，为脑电信号的采集和信号采集前的训练提供了方便，具有很好的参考和应用价值。