運動及想象運動時Mu波自相關研究

陳志華，王大鵬(大連交通大學軟件學院，遼寧大連116028)*

運動及想象運動時Mu波自相關研究

陳志華，王大鵬
(大連交通大學軟件學院，遼寧大連116028)*

為尋找當受試者真實運動和想象運動時Mu波的自相關規律，收集了20位受試者(男女各十人)的C3，C4，T3，T4腦電極Mu波數據，通過實驗分析發現如下規律:①無論真實手動或想象手動，男生的Mu波自相關系數普遍大于女生.②對于所有受試者左手真實手動的自相關系數普遍大于左手想象運動，但右手沒有相應的規律.③僅僅通過比較自相關系數無法辨別想象運動的方向.本次實驗也驗證了“Mu波抑制”現象與受試者性別、慣用手有關聯.

Mu波; Mu波抑制;運動想象;自相關; EEG

0 引言

Mu波也叫Mu節律，在19世紀50年代被發現［1］.起初，由于Mu波只能在一部分人腦檢測到，Mu波沒有得到足夠的重視［2］.然而，新的和更精密的技術表明: Mu波信號在幾乎所有的健康成年人的腦皮層都能被檢測到［3］.Mu波的頻率在8～12 Hz，當進行神經活動時，Mu波明顯增強，當進行物理運動時Mu波會明顯衰退［4-6］.有觀點認為Mu節律是大腦運動皮層的椎體神經元同步活動的電信號［7］.同時它也被認為是對鏡像神經元的反映［8］.Mu波具有與Alpha波相似的頻率，因此有學者認為Mu波是Alpha波的變形.然而，Alpha波在人閉眼時可以在大腦多個區域明顯檢測到，而Mu波主要是在感覺運動皮層(功能是協調肌肉運動和知覺以及控制關節運動).感覺運動皮層包括初級運動皮層和初級感覺皮層.大致位于人兩耳之間的頭頂區域.

Mu波抑制現象是指當受試者有運動行為時，Mu波振幅明顯減弱的現象.Mu波抑制現象出現的前提不僅是真實的運動行為，研究表明，想象運動同樣可以導致Mu波抑制［9］.Mu波抑制受到性別、慣用手的影響［10-11］.

1 方法

自相關，又被稱為“滯后相關”或“序列相關”，是指信號在一個時刻的瞬時值與另一個時刻的瞬時值之間的依賴關系，是對一個隨機信號的時域描述.自相關函數是一常見的數學方法，在各領域應用廣泛.在信息分析中，通常將自相關函數稱之為自協方差方程.用來描述信息在不同時間間隔下，信息函數值的相關性.

給定連續信號f( t)，時間間隔τ連續自相關函數

對于離散信號{ xn}，在時間間隔j下，離散自相關函數公式為:

計算自相關系數公式為:

自相關系數的變化范圍由－1～+ 1，－1表示完全負相關，+1代表完全正相關.

2 實驗

2.1受試者

本次實驗共有20名受試者，男女各10名，年齡在20～25歲之間.所有的受試者均為右利手，身體健康，無腦疾病史.實驗前受試者清洗頭部以保證實驗數據的準確性，在實驗過程中，受試者被要求保持軀干靜止以防止產生腦電偽差.

2.2實驗過程

實驗器具除專用腦電收集儀器外，有扶手椅一把、電腦顯示器一臺.實驗開始前，受試者自然坐在于扶手椅，面向顯示器，顯示器距離受試者約50 cm，兩手自然放在操作臺上，實驗中受試者被要求避免眨眼及大幅度軀體運動.實驗開始前，受試者被要求閉眼放松30 s.

實驗分為四部分:左手運動、右手運動、想象左手運動、想象右手運動.四部分實驗依次進行.實驗開始，受試者睜眼，電腦屏幕依次出現5 s空白，6 s十字號(準備標志)，3 s箭頭，以及停止符(詳見圖1).在四部分實驗中，箭頭會依次指向左、右、左、右，受試者根據箭頭方向，分別左手手指輕叩桌面，右手手指輕叩桌面，想象左手手指輕叩桌面，想象右手手指輕叩桌面.在兩部分實驗之間，有10 s的休息時間.此期間內，實驗者會會對受試者進行提示.

圖1 手動及想象手動實驗流程

2.3實驗數據的記錄與分析

本次實驗數據收集分析儀器是: Neurofax EEG－9100K ( NKC，Japan).實驗中，腦電電阻被控制在5 kΩ下，采樣頻率設定為1 000 Hz，信號過濾頻率設定為0.1～30 Hz.實驗產生的腦電偽跡由一位資深教授處理.實驗數據的采集采用19道導聯方式，腦電極設置按國際腦電圖學會聯盟標準電極安裝法10－20系統的導聯位置，導聯電極為Fpl、FpZ、Fz、F3、F4、Cz、C3、C4、Pz、P3、P4、O1、O2、F7、F8、T3、T4、T5和T6，奇數表示大腦左側，偶數表示大腦右側.實驗數據組要采用了C3 C4 T3 T4四組腦電極，原因是這四組腦電極的位置對應于Mu波出現的運動想象皮層.實驗數據被取出后，導入MATLAB分析.

取出每組實驗的前0.2 s(包含200個數據點)進行分析，由于Mu波信號的周期性，自相關系數也應該呈現類周期性變化.自相關系數將會從1開始下降后再上升，同時，由于Mu波抑制，自相關系數再次上升的頂點不會到達1.選取第一次上升的頂點作為自相關系數.由Mu波的周期性可知，該頂點對應的時間點為Mu波的周期時間(自相關點的選擇見圖2).

圖2 自相關系數隨時間的變化曲線

觀察所有20個結果，周期時間均在0.1s附近.這與Mu波的頻率在10Hz的前提相吻合［13］.根據性別不同分成兩組，求出每組平局值，見表1.

表1 男、女生組的平均值

3 結論

由實驗結果得出三個結論:

( 1)通過表1對比，對于相同實驗的相同腦電極，男生平均結果普遍大于女生.根據前人的研究，不同性別的神經活動是有差異的.相比男性，在運動狀態下，女性的Mu波更容易被抑制［13-14］.自相關系數反映了Mu波與其自身的相關性，如果Mu波抑制現象更強，自相關系數應該更小，實驗結果與之吻合.因此，通過計算自相關系數，也驗證了在運動狀態下，女性的Mu波抑制程度超多男性這一結論;

( 2)觀察表格發現，無論男女在想象手動時的平均自相關系數總是低于真是手動的自相關系數.根據Dennis J.McFarland在2000年的研究，通過分析運動狀態和安靜狀態的能量譜、腦電地形圖以及通過主成分分析發現:想象運動在這三方面均小于真實運動.本次實驗通過計算自相關系數也驗證了這一結論;

具體分析發現，當比較PLM(真實左手手動) 和ILM(想象左手手動)時，無論男女，PLM(真實左手手動)的自相關系數普遍大于ILM (想象左手手動).

在男生組中C3，C4，T4腦電極達到了100%，T3腦電極也達到80%.女生組中也有類似的現象.然而當對比PRM(真實右手手動)和IRM(想象右手手動)時，卻沒有類似的現象，無論男女組，PRM大于IRM的比率未超過60%.對于這一反常結果，研究者認為與所有受試者均為右利手有關.由于缺乏確切證據的支持，還需要進一步的研究;

( 3)想象運動的方向判別是當前研究的熱點.研究者希望通過Mu波自相關系數判別想象運動的方向.按照電極的位置將電極分為兩組，C3，T3位于大腦左半部，T3，T4位于大腦右半部.研究者希望通過對比四組實驗時左右兩側大腦自相關系數，發現內在規律.然而，遺憾的是，除了當女生想象左手運動時，左側普遍高于右側，其他情況均呈現隨機性.研究者認為單純的依靠比較兩側自相關系數是不能辨別想象運動的方向.

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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

陳志華( 1961－)，男，教授，博士，主要從事腦電波方面的研究

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