腦電信號分析技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究綜述

溫曉利

摘 要：該文通過文獻(xiàn)資料法整理研究自20世紀(jì)50年代以來我國腦電信號分析技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要從傳統(tǒng)線性時域頻域分析、非線性動力學(xué)分析、超慢漲落技術(shù)分析三方面進(jìn)行分析總結(jié)，以期對今后從事腦電信號分析的研究提供理論基礎(chǔ)和研究方向的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：腦電信號 分析技術(shù) 體育

中圖分類號：G80 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2017）01（c）-0243-02

腦電圖是大腦神經(jīng)細(xì)胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映。自1924年“腦電描記之父”Hans Berger首次記錄到人腦的電活動至今已近百年，目前EEG已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物、軍事、航天、心理、認(rèn)知科學(xué)以及體育等眾多領(lǐng)域，體育運(yùn)動領(lǐng)域中我國學(xué)者對優(yōu)秀運(yùn)動員的腦電圖研究自20世紀(jì)50年代后期開始。腦電信號分析技術(shù)的發(fā)展也從以往的線性分析方法向非線性動力學(xué)等方向發(fā)展。該研究從腦電信號分析技術(shù)出發(fā)，回顧腦電分析技術(shù)在體育運(yùn)動領(lǐng)域的研究應(yīng)用，以期為今后從事該研究的學(xué)者提供理論基礎(chǔ)和方向指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)線性分析技術(shù)的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)線性分析技術(shù)主要集中在時域和頻域的分析方法。時域分析方法主要分析EEG波形的幾何性質(zhì)。如，波幅、均值、方差等。這是最早進(jìn)行腦電信號分析的方法，因其直觀性強(qiáng)、物理意義較明確，一直被不少腦電圖工作者使用。頻域分析方法是對信號進(jìn)行傅里葉變換后再分析各頻段的功率。對腦電信號的時域和頻域分析是傳統(tǒng)腦電信號的主要分析方法，我國的體育科研工作者在這個領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作。

90年代前后，黃登惠等對117例運(yùn)動員包括網(wǎng)球、技巧的腦電圖特征進(jìn)行了一系列采集和分析，主要考察指標(biāo)為腦電波的分型，α波的波幅和頻率等。如在進(jìn)行網(wǎng)球運(yùn)動員選材研究中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀運(yùn)動員腦電圖為α腦波占優(yōu)勢，調(diào)頻調(diào)幅較好。在選材時，最好不選腦電圖為M型的不定型少年[1]。運(yùn)動員的α指數(shù)，α頻率，α串長于少年時期已達(dá)成人水平，而α波平均波幅及最高波幅均隨年齡增長而降低，沉靜期則隨年齡增長有延長趨勢[2]。

張振民早期對優(yōu)秀運(yùn)動員的腦電信號研究選取指標(biāo)主要是腦電波α指數(shù)、功率譜比值等時頻域分析，以腦電波α指數(shù)、功率譜比值等技術(shù)指標(biāo)，反映運(yùn)動員訓(xùn)練過程中的競技狀態(tài)和疲勞征兆，在中國乒乓球國家隊(duì)的應(yīng)用文章中分析方法仍采用α指數(shù)、功率譜比值等技術(shù)指標(biāo)[3]。

2004年周未艾等對中國跳水隊(duì)員11人利用腦電圖和腦電地形圖分析指標(biāo)EEG、BEAM、CSA、α指數(shù)、功率譜能量比值等，結(jié)果顯示：女運(yùn)動員神經(jīng)機(jī)能狀態(tài)略優(yōu)于男隊(duì)員，優(yōu)秀跳水運(yùn)動員大腦喚醒水平（興奮性）值與其他項(xiàng)目相同，但能量比值較低[4]。

2 非線性分析技術(shù)的研究進(jìn)展

人腦是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的信號分析處理技術(shù)都是建立在線性關(guān)系基礎(chǔ)之上的，忽視了腦電信號的非線性特征。信號處理研究領(lǐng)域早已證實(shí)，用非線性動力學(xué)的方法來研究和解釋腦電信號的特征變化更加合理。目前，我國體育領(lǐng)域中采用非線性方法研究腦電信號的報(bào)道尚不多見，整理分析如下。

2.1 相關(guān)維數(shù)

目前體育領(lǐng)域中只有2002年呂雅君等采用Grassberger和Poccaccia提出的GPA算法進(jìn)行了相關(guān)維數(shù)的研究，他們研究了相關(guān)維數(shù)在不同項(xiàng)目和不同水平運(yùn)動員的特征，結(jié)果顯示，相對維數(shù)在不同項(xiàng)目、不同水平的運(yùn)動員間有顯著性差異，開放性技能運(yùn)動員的相對維數(shù)高于關(guān)閉性技能運(yùn)動員；同時開放性技能運(yùn)動員，技能水平不同、相對維數(shù)有顯著性差異。此外，相對維數(shù)與智商IQ和操作智商PIQ呈中度正相關(guān)[5]。

2.2 lyapunov指數(shù)

2010年王霆等采用腦電非線性動力學(xué)分析優(yōu)秀射箭運(yùn)動員中樞疲勞，選取非線性指標(biāo)最大李雅普諾夫指數(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，其中國家射箭隊(duì)運(yùn)動員的腦電最大李雅普諾夫指數(shù)參數(shù)不存在顯著男、女性別差異[6]。

2.3 復(fù)雜度

2010年王霆等分析優(yōu)秀射箭運(yùn)動員中樞疲勞時同時比較了復(fù)雜度參數(shù)的變化，結(jié)果顯示L-Z復(fù)雜度可敏感地反映出運(yùn)動員是否處于中樞疲勞狀態(tài)，國家射箭隊(duì)運(yùn)動員的腦電復(fù)雜度參數(shù)不存在顯著男、女性別差異[6]。

2014年王霆等研究優(yōu)秀射箭運(yùn)動員倒立訓(xùn)練前、后腦電非線性參數(shù)復(fù)雜度的變化特征，5 min倒立訓(xùn)練后，運(yùn)動員倒立訓(xùn)練與坐姿恢復(fù)狀態(tài)腦電復(fù)雜度參數(shù)存在顯著性差異，而3 min倒立訓(xùn)練沒有此差異。8周倒立訓(xùn)練后腦電非線性指標(biāo)復(fù)雜度與倒立訓(xùn)練前相比有顯著性增高，表明倒立訓(xùn)練后運(yùn)動員腦電活動趨于同步化、有序化，其交感神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)出緊張性降低，自主調(diào)節(jié)能力得以加強(qiáng)[7]。

2.4 近似熵

2010年王霆在分析優(yōu)秀射箭運(yùn)動員中樞疲勞研究中還考察了近似熵，結(jié)果表明近似熵可較敏感地反映出運(yùn)動員在不同的兩個階段中訓(xùn)練負(fù)荷的變化，運(yùn)動員的腦電近似熵參數(shù)不存在顯著男、女性別差異[6]。2014年王霆等研究優(yōu)秀射箭運(yùn)動員倒立訓(xùn)練前、后近似熵的變化，5 min倒立訓(xùn)練后，運(yùn)動員倒立訓(xùn)練與坐姿恢復(fù)狀態(tài)腦電近似熵存在顯著性差異，8周倒立訓(xùn)練后近似熵均與倒立訓(xùn)練前相比有顯著性增高，表明倒立訓(xùn)練后運(yùn)動員腦電活動趨于同步化、有序化，其交感神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)出緊張性降低，自主調(diào)節(jié)能力得以加強(qiáng)[7]。

3 超慢漲落技術(shù)

超慢特征漲落譜線系統(tǒng)所揭示的腦波功率及頻率漲落，與腦內(nèi)神經(jīng)化學(xué)介質(zhì)的活動特性相關(guān)。人類的動機(jī)、語言、注意以及發(fā)育過程中和成人學(xué)習(xí)記憶過程中環(huán)境對腦的修飾都由神經(jīng)系統(tǒng)來調(diào)控，通過神經(jīng)遞質(zhì)的合成、儲存、釋放、重?cái)z取與降解來實(shí)現(xiàn)。

2007年南開等研究了優(yōu)秀射箭運(yùn)動員的腦電超慢漲落譜線的變化特征，在閉目覺醒靜坐狀態(tài)下，不同運(yùn)動員個體的S譜線的分布具有趨同性。和對照組相比，射箭組的S2、S3/S4、S5、S11、S13系增強(qiáng)；S1、S6、S7系減弱，且呈左腦優(yōu)勢顯著。

4 展望

我國體育科研工作人員從20世紀(jì)50年代后期開始對優(yōu)秀運(yùn)動員進(jìn)行腦電圖研究，至今超過半個世紀(jì)，但是對于信號分析的研究進(jìn)展的綜述尚未見報(bào)道。腦電信號的分析方法伴隨著信號分析領(lǐng)域的研究深入，從線性分析技術(shù)過渡到非線性分析方法，分析方法更加多樣化、手段更加先進(jìn)。未來，對優(yōu)秀運(yùn)動員的腦電圖研究仍是體育科研工作者的研究熱點(diǎn)，那么多種分析方法的并用勢必是研究的趨勢，基于非線性動力學(xué)系統(tǒng)分析的先進(jìn)性和適用性，相信今后會有更多非線性分析方法的研究報(bào)道。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃登惠，周義瓊，孫曉菁.網(wǎng)球運(yùn)動員腦電圖研究[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，1988，12（30）：237-238.

[2] 黃登惠.117例運(yùn)動員α腦波分析[J].成都體育學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，16（2）：89-93.

[3] 張振民，周未艾，蔡振華，等.中國乒乓球世界冠軍運(yùn)動員腦功能特征研究[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2002，21（5）：452-457.

[4] 周未艾，陳長庚，張振民，等.中國優(yōu)秀跳水運(yùn)動員大腦機(jī)能監(jiān)控研究[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2004，23（6）：649-653.

[5] 呂雅君.運(yùn)動員腦電混沌動力學(xué)維數(shù)特征及其與智商的相關(guān)關(guān)系[J].體育科學(xué)，2002，22（1）：120-122.

[6] 王霆，王德堃，鄧興國，等.腦電非線性動力學(xué)分析在優(yōu)秀射箭運(yùn)動員中暑疲勞研究中的應(yīng)用[J].體育科學(xué)，2010，30（2）：64-69.

[7] 王霆，李建英，石巖，等.優(yōu)秀射箭運(yùn)動員倒立訓(xùn)練后腦電非線性參數(shù)及腦功能變化特征的研究[J].體育科學(xué)，2014，34（2）：48-53.