基于皮層肌肉相干性的手部運(yùn)動(dòng)信息解碼研究.pdf

1、研究目的:
　　上肢功能障礙恢復(fù)的程度直接關(guān)系到腦卒中患者的生活質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)皮層和肌肉之間的功能連接直接關(guān)系到上肢功能障礙者的康復(fù)，上肢運(yùn)動(dòng)依賴于大腦的控制，運(yùn)動(dòng)時(shí)大腦皮層與肌肉間存在相互作用，神經(jīng)肌肉的活動(dòng)狀態(tài)可以通過EEG-EMG的相干性來檢測(cè)。本文采用腦電-肌電協(xié)同分析的方法，同時(shí)記錄手部4種典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)皮層腦電信號(hào)和前臂表面肌電信號(hào)，應(yīng)用相干分析研究不同運(yùn)動(dòng)模式下皮層與不同肌肉的特征，實(shí)現(xiàn)上肢運(yùn)動(dòng)信息解碼，為探索上肢

2、運(yùn)動(dòng)功能重建機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)支持。
　　研究方法:
　　1、實(shí)驗(yàn)范式及數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理
　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用多導(dǎo)生理信號(hào)記錄系統(tǒng)記錄，根據(jù)范式流程，對(duì)10名受試人員分別在進(jìn)行手指屈、伸及手腕屈、伸4組動(dòng)作時(shí)，采集皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)的F3 F4 FzC3 C4 Cz P3 P4 Pz9導(dǎo)聯(lián)腦電信號(hào)和右手前臂指屈肌(FD)、指伸肌(ED)、尺側(cè)腕屈肌(FCU)、橈側(cè)腕伸肌(ECR)4導(dǎo)聯(lián)的表面肌電信號(hào)。每位受試的每組動(dòng)作均采集3組數(shù)據(jù)，

3、共30組，根據(jù)范式的屈伸動(dòng)作標(biāo)記，把屈與伸信號(hào)分離，另根據(jù)動(dòng)作準(zhǔn)備標(biāo)記（由屈伸動(dòng)作標(biāo)記開始持續(xù)0.5s高電平信號(hào)）、執(zhí)行標(biāo)記（準(zhǔn)備標(biāo)記后持續(xù)2.5s低電平信號(hào)），將信號(hào)分為動(dòng)作準(zhǔn)備信號(hào)、動(dòng)作執(zhí)行信號(hào);將9導(dǎo)腦電信號(hào)分為5個(gè)頻段:δ頻段(0.5-4Hz)，θ頻段(4-8Hz)，α頻段(8-13Hz)，β頻段(13-30Hz)，γ頻段(30-60Hz);并進(jìn)行基線漂移校正以及工頻濾波。
　　2、腦電信號(hào)、表面肌電信號(hào)相干分析，及模式識(shí)

4、別
　　從運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行階段兩方面，對(duì)4組手部動(dòng)作記錄的各導(dǎo)聯(lián)各頻段（δ、θ、α、β、γ頻段）的EEG分別與4塊肌肉(FD、ED、FCU、ECR)的EMG進(jìn)行相干分析以及統(tǒng)計(jì)分析;根據(jù)相干分析的結(jié)果提取特征，運(yùn)用支持向量機(jī)的方法對(duì)動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別。
　　研究結(jié)果:
　　1、相干分析結(jié)果
　　1)在動(dòng)作準(zhǔn)備過程中
　　β頻段:C3，P3，Pz導(dǎo)聯(lián)在右手做屈指、伸指動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的右前臂指屈肌、指伸肌的相干系數(shù)

5、值較大(P＜0.05);右手做屈腕動(dòng)作時(shí)所有導(dǎo)聯(lián)與尺側(cè)腕屈肌的相干系數(shù)值均大于橈側(cè)腕伸肌(P＜0.05)，右手做伸腕動(dòng)作時(shí)F3，C3，Cz，C4，P4導(dǎo)聯(lián)與橈側(cè)腕伸肌的相干系數(shù)值均大于尺側(cè)腕屈肌(P＜0.05);
　　γ頻段:Fz，C3導(dǎo)聯(lián)在右手做屈指、伸指動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的右前臂指屈肌、指伸肌的相干系數(shù)值較大(P＜0.05);右手做屈腕動(dòng)作時(shí)F3，F(xiàn)z，C3，Cz，C4，P3導(dǎo)聯(lián)與尺側(cè)腕屈肌的相干系數(shù)值均大于橈側(cè)腕伸肌(P＜0.05)

6、，右手做伸腕動(dòng)作時(shí)C3，Cz，P3，Pz，P4導(dǎo)聯(lián)與橈側(cè)腕伸肌的相干系數(shù)值均大于尺側(cè)腕屈肌(P＜0.05)。
　　在運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備階段，右腦C4，P4導(dǎo)聯(lián)在手腕動(dòng)作時(shí)與右側(cè)前臂腕肌表現(xiàn)出相干性。
　　2)動(dòng)作執(zhí)行過程中
　　在β頻段，右手做屈指、伸指動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的右前臂指屈肌、指伸肌與腦電左側(cè)C3導(dǎo)聯(lián)相干系數(shù)值較大(P＜0.05);在β頻段，右手做屈腕、伸腕動(dòng)作時(shí)相應(yīng)的尺側(cè)腕屈肌、橈側(cè)腕伸肌與腦電左側(cè)C3導(dǎo)聯(lián)相干系數(shù)值較大(P

7、＜0.01);
　　2、模式識(shí)別結(jié)果
　　將運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備、執(zhí)行階段統(tǒng)計(jì)的β頻段、γ頻段EEG與EMG相干系數(shù)作為特征參數(shù)進(jìn)行支持向量機(jī)模式識(shí)別，屈指、伸指正確分類結(jié)果為95％，屈腕、伸腕正確分類結(jié)果為90％。
　　研究結(jié)論:
　　運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)備過程中，在β頻段、γ頻段，各導(dǎo)聯(lián)EEG與EMG均表現(xiàn)出相干性，即大腦皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)都比較活躍，不僅控制右側(cè)軀體活動(dòng)的左腦，尤其右腦C4，P4導(dǎo)聯(lián)在手腕動(dòng)作時(shí)與腕肌表現(xiàn)出相干性。