歧视的电动机Imagery-Induced脑电图模式完整的脊髓损伤患者

文摘

EEG-based歧视不同运动图像状态之间的话题在健康受试者的研究。我们调查了15个完整的脊髓损伤患者的脑电图在想象的右手,左手,和脚的动作。详细我们研究双向歧视功能之间的三种运动图像。下面的分类精度(的意思SD)得到:左和右的手,左手和脚,右手和脚。5 8 paralegic病人,歧视精度大于70%,但仅在1的7 tetraplagic病人。目前的研究结果提供的证据表明,在大多数截瘫的患者因为它使得基于脑电图的BCI能达到满意的结果。然而在瘫痪患者患者,预计实现良好的BCI性能广泛的训练是必要的,至少在一些科目。

1。介绍

功能性磁共振成像(fMRI)和脑电图的研究表明,执行和想象运动激活重叠和/或类似的神经网络主要运动和相关领域1- - - - - -3]。电机执行和电机的等效意象与皮质激活是一个先决条件的运动功能恢复聚和/或瘫痪患者患者使用脑机接口(BCI);(4,5])。完整的脊髓损伤(SCI)患者是否能够控制他们的大脑振荡可靠和安全的通过想象肢体动作和操作此BCI然而仍然是一个悬而未决的问题。

感觉运动节奏如μ和中央β振荡可以修改由执行和想象运动(6- - - - - -10]。通过使用多通道脑电图记录功能和应用双向歧视EEG信号可以区分三种不同类型的运动图像(左或右手或脚)11,12]。在这项研究中我们解决了以下问题:(i)有可能歧视3电机之间的双向传递脑电图模式(右手、左手和英尺)完整的脊髓损伤患者和(2)这是歧视不同的半身不遂,瘫痪患者患者。当一个可靠的传递检测大脑在BCI的脑电图是可能的输出信号可以用来控制,例如,neuroprosthesis [5]。

2。方法

2.1。课程和实验任务

病人组由15个病人(四个女性和11个男性)年龄在16到64岁(M = 41年,SD = 14.50)。所有患者遭受一个完整的传感器和电机在亚洲水平C5瘫痪病人创伤SCI后1.6个月和32.9年之间前测量。七个病人瘫痪患者,8个病人半身不遂。关于病人的信息总结表1。

测量进行了康复诊所Tobelbad(奥地利)。实验分为6 - 8分(取决于病人的身体状况),每个30试验的三种不同的运动图像组成的任务(10试验)。之间的参与者可以运行(鼓励)短休息恢复,为了避免疲劳。

每个试验开始的演讲固定交叉中心的监控,紧随其后的是一个简短的提示音在第二个2。在第二个3,箭头指向随机左,右,或向下,代表三种不同的运动图像的任务之一(左手(L),右手(R)和两只脚(F),职责),出现在屏幕上的1.25秒,此外固定交叉。固定交叉仍然显示在屏幕上,直到试验结束时,在第二个8,说明想象力仍然必须执行。这意味着汽车图像需要持续5秒。之后,提出了一个空白的屏幕,直到下一个试验的开始。这段intertrial不同随机0.5至2.5秒。

时间和实验范式是显示在图1 (b)。

2.2。脑电图记录

连续脑电图信号记录从一个网格十五烧结Ag / AgCl环电极(Easycap、德国)都安装垂直,水平和垂直方向,电极位置C3, Cz, C4(根据国际10 - 20电极系统,cf,图1(一))。密集的电极间的距离为2.5厘米。电极都是引用的左边乳突。地面电极安装在正确的乳突。阻抗保持低于5 kOhm。为单极脑电图推导一个便携式放大器(g。使用tec,奥地利格拉茨)。信号被数字化在256赫兹和带通滤波0.5和100赫兹之间。灵敏度设置为100使用V和陷波滤波器在50 Hz。

2.3。数据分析

常见的空间模式的方法(CSP)和费舍尔的线性判别分析(LDA)分类器被用来区分任何2类。CSP-method项目多通道脑电图数据到一个低维空间的子空间的方式过滤时间序列的方差是歧视的最优选择。投影矩阵,脑电图的权重组成的通道,在特征值的降序排序。应用CSP和LDA之前,一个完全自动化的方法减少小城镇工件是应用于数据。然后,脑电图记录视觉检查了剩下的小城镇和肌电图的工件和过滤8-30赫兹之间。得到一个好的分类器的泛化采用交叉验证过程。从每个审判EEG数据分为1 s重叠的时间片段长度的一半。更多细节,请参见[11,14]。

2.4。计算时频图

加强本地振荡,正交源派生(拉普拉斯算子)计算15]。十年代后触发数据,试验持续时间得到包括3秒前的提示。量化的ERD / ERS在四个步骤进行:每个试验的带通滤波,平方的样本(平滑)和随后的平均试验和采样点。ERD / ERS被定义为功率减少(ERD)或功率百分比增加一秒钟(ERS)与参考区间(秒)警告音(前3]。ERD / ERS值对应于2-Hz频带从6 - 18赫兹(1 Hz)的重叠和4赫兹频段从18-38赫兹(2赫兹的重叠)计算。所有的值为一个脑电图通道随后被用来构造时频图(ERD / ERS地图)。ERD / ERS的统计显著性值被应用验证t百分位引导统计计算置信区间。

2.5。统计分析

一个方差分析计算,以检查是否截瘫和瘫痪患者患者不同关于达到分类精度。这种主客体之间变量的方差分析由SCI(2水平:截瘫患者和瘫痪患者)和受试变量精度(3个层次:左手与右手,左手和右手和英尺)。

3所示。结果

歧视的力量之间的两个不同的大脑状态表示的分类精度单秒的时间内脑电图试验分析了窗户。时代的歧视时间课程6秒(1秒前cue-onset)对所有任务组合(左与右的手,左手和脚,右手和英尺)在图所示2。第一峰值最大分类精度与相应的延迟,测量从线索出现在表中做了总结2。所有科目的平均精度(±SD)是65.03%±8.51(左与右的手MI), 68.18%±11.08(左手和英尺英里),和65.05%±9.25(右手与脚MI),分别。(见表3的意思是半身不遂的准确性和瘫痪患者患者。)

瘫痪患者病人组中只有一个7个瘫痪患者的准确率> 70%,而下身瘫痪的5个8达到分类准确率> 70%。70%的准确性是边界,控制可以是可能的16]。在大多数的参与者,脚运动图像参与了最好的两个大脑状态(参见图之间的歧视2和表2)。

方差分析的结果表明,精度的主要影响是微不足道的。截瘫患者(M = 69.3%)不不同于瘫痪患者患者(M = 62.41%), F (13) = 530.292,p= .151。此外,出现三分类精度无显著影响,左(左)手和右(R)手(M = 64.85%),左(左)手和脚(F) (M = 67.89%)、右(R)手和脚(F) (M = 64.84%),但可以看到一种趋势,F (26) = 2.877,p=。074 (cf。图3)。

尽管任何两个不同的大脑状态的歧视是基于15脑电图的分析渠道记录在运动前,运动,和顶叶区域,不同的模式被发现在空间过滤(拉普拉斯算子)录音的主要运动区(Cz电极位置C3, C4)。插图,时频映射(ERD-maps)的两个代表对象显示在图中4。在主题P02(图4(一))清晰可见β增加(ERS)在Cz手MI和β减少(ERD)在Cz英尺MI。没有明确的脑电图反应模式可以被识别在主题P01(图4 (b))。在P02获得了较高的分类精度在P01之间没有歧视运动图像状态是可能的。

4所示。讨论

在我们的研究中,我们应用多通道的分类过程,实验记录脑电图数据在古典脑机接口与三动图像训练任务:右,左,和脚运动17,18]。一个方法适合您使用多通道脑电图记录大脑活动的学习时间方面在于计算常见的空间模式(csp) [14]。这CSP-method导致空间过滤器是最佳的提取信号最大区分两种情况。随后这些信号中提取结果的线性分类识别率。CSP-method可以研究脑电波模式的可分性与2-motor图像具有高时间分辨率。

歧视时间课程完整的脊髓损伤患者研究是高度可变的形状和大小,并开始与初始峰值一般cue-onset约1.5秒后,迅速增加,之后缓慢下降(图2)。伟大的intersubject-variability可能被解释为使用心理策略(例如,视觉和动觉的运动图像,(19]),生动的图像过程中,心理等心理因素,例如,动机和注意力。即使在同一个主题相同的精神运动图像策略会导致完全不同的脑电图反应模式依赖于想象的努力程度(20.]。

本研究的主要发现是,有不同的脑电波模式在大多数时完整的脊髓损伤患者想象第一次不同动作的手和脚。然而这些模式不是很明显,平均分类率相对偏低67%左右。相比之下,电动机在健康受试者的结果图像清晰可辨别的脑电图模式,当2-motor成像任务进行了比较。Blankertz et al。17]报道平均分类精度88.4%的所谓校准会话与三种汽车图像(右手、左手和右脚)在未经训练的健康受试者。这个数据是基于128脑电图频道和CSP分析。也与CSP分析应用于32脑电图渠道分类精度在80.0%和83.3%之间是报告左和右MI和手和脚MI (12]。在这两项研究在大多数科目最好的分类结果实现当脚MI的参与。健康受试者和患者的一个主要区别是经常,病人经常抽筋和/或肌肉痉挛,因此很多文物在脑电图(见如表1artefact-free与总试验)。

感兴趣的是最近出版的功能磁共振成像研究,对照组和病人不得不kinaesthetically想象运动的脚(21]。截瘫患者组的初级运动皮层持续激活,甚至同一程度作为健康对照组运动执行期间。与其他这一研究[22]报道不一致的功能磁共振成像在初级运动皮质激活自学完成SCI患者的脚运动图像。感兴趣的是,在研究Alkadhi et al。21)之间有很强的正相关关系被发现生动截瘫病得分的运动图像和皮质的激活(fMRI信号粗体部分)包括初级运动皮层和辅助运动区(SMA)。这可以解释,生动的运动图像和/或他们的精神努力扮演着一个重要的角色在皮质激活和更密集在SCI患者比健康对照组。

一点需要讨论,即略高(但不明显)分类精度的手和脚MI比正确对左手MI患者也在健康受试者中找到。这可以解释为脑电图模式引起的脚或脚MI可辨别的更好的大脑状态与左或右手MI。这可能是原因之一的敌对行为上μERD和人在运动图像称为“焦ERD /周围人”(3]。脚MI结果不仅在midcentrally集中μ和/或βERD还经常在双边μ人队手表示区域(23]。这些作者报道了一个更大的不同频带能量的变化10 - 12赫兹频段时不同(手和脚MI)和同源四肢(右和左手MI)进行了比较。

总之,我们证明了在大多数截瘫的患者运动图像引起脑电图模式可以歧视。从这一小部分反馈训练可以加强电机传递大脑状态之间的可分性的和可以预期BCI性能好。瘫痪患者病人情况不太清楚。只有在一个病人电动机传递脑电图可以歧视在最初的训练模式。这里大量的培训课程,并与反馈是必要的BCI达到满意性能至少在某些病人。

确认

这个工作是由翅膀Life-Spinal绳研究基金会(002/06),欧盟项目Presenccia 27731,欧盟成本BM0601 Neuromath,”《Unfallversicherung AUVA”,和洛伦兹伯勒尔公司协会。

引用

1. e·吉西里古,s . Lehericy et al .,“部分重叠的神经网络的真实的和想象的手部运动,”大脑皮层,10卷,不。11日,第1104 - 1093页,2000年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. h·h·艾尔逊、j.p. Kuhtz-Buschbeck和h . Forssberg“大脑区域控制nonsynergistic与协同运动的数字:功能性磁共振成像研究中,“神经科学杂志》上,22卷,不。12日,第5080 - 5074页,2002年。视图:谷歌学术搜索
3. g . Pfurtscheller和f·h·洛佩斯·达席尔瓦与事件相关的脑电图/梅格同步和失调:基本原则,“临床神经生理学,卷110,不。11日,第1857 - 1842页,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. j·r·沃尔波n . Birbaumer d·j·麦克法兰g . Pfurtscheller和t·m·沃恩“脑-机接口的通信和控制,”临床神经生理学,卷113,不。6,767 - 791年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. g . Pfurtscheller g·r·Muller-Putz r·谢勒和c . Neuper“康复与脑机接口系统,”电脑第41卷。。10日,58 - 65、2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. r . Salmelin和r·哈里”感觉运动的时空特征neuromagnetic节奏与拇指运动,”神经科学,60卷,不。2、537 - 550年,1994页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. l . Leocani c·托罗p . Manganotti p .壮族和m·哈雷特”与事件相关的一致性和事件相关去同步/同步10赫兹和20 Hz脑电图在自学活动,“脑电图与临床神经生理学/诱发电位,卷104,不。3、199 - 206年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. p . Derambure l . Defebvre j·l·Bourriez f·凯新,和j . d . Guieu”事件相关去同步化和同步。反应性皮质脑电图仪的节奏与自主运动规划和性能有关的,“临床神经生理学卷,29号1,53 - 70年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. g . Pfurtscheller和c . Neuper”运动图像激活人类初级感觉运动区”,神经学字母,卷239,不。2 - 3、65 - 68年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. c . Neuper和g . Pfurtscheller“运动图像和ERD”与事件相关去同步化g . Pfurtscheller f·h·洛佩斯·达席尔瓦,Eds。》第六卷手册的脑电图与临床神经生理学爱思唯尔,页303 - 325年,阿姆斯特丹,荷兰,1999年。视图:谷歌学术搜索
11. h·拉莫斯,j . Muller-Gerking g . Pfurtscheller“单一优化空间过滤试验脑电图在想象手运动,”IEEE康复工程,8卷,不。4、441 - 446年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. g . Pfurtscheller r·谢勒g·r·Muller-Putz f·h·洛佩斯·达席尔瓦,“短暂的大脑状态在天真的主题暗示汽车图像后,“欧洲神经科学杂志》上,28卷,不。7,1419 - 1426年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. g . r . Muller-Putz r·谢勒Brunner, r .里氏和g . Pfurtscheller”比随机?仔细看BCI的结果。”国际期刊的Bioelectromagnetism,10卷,不。1,52-55,2008页。视图:谷歌学术搜索
14. j . Muller-Gerking g . Pfurtscheller, h . Flyvbjerg”刺激EEG分类在记忆延迟任务实验中,“临床神经生理学,卷111,不。8,1353 - 1365年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b . Hjorth”,一个行脑电图头皮电位转换为正交派生来源,”脑电图与临床神经生理学,39卷,不。5,526 - 530年,1975页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. j . Perelmouter和n . Birbaumer”二进制拼写与随机错误,”IEEE康复工程,8卷,不。2、227 - 232年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. Blankertz b, g . Dornhege m . Krauledat K.-R。穆勒,古玩,”柏林非侵入式脑机接口:快速获取有效的性能在未经训练的科目,”科学杂志,37卷,不。2、539 - 550年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. g . Pfurtscheller c Neuper, n . Birbaumer“人类脑机接口”运动皮层在自愿的运动、项目部和大肠Vaadia Eds。,pp。367–401, CRC Press, Boca Raton, Fla, USA, 2005.视图:谷歌学术搜索
19. c . Neuper r·谢勒m·雷纳,g . Pfurtscheller”意象的马达动作:微分的影响-动觉智能、视觉运动模式的实验图像的脑电图,”大脑的认知研究,25卷,不。3、668 - 677年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. g . Pfurtscheller r .里氏c Keinrath et al .,“从思想走,”大脑研究,卷1071,不。1,第152 - 145页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. h . Alkadhi p . brgger s h . Boendermaker et al .,“断开告诉什么运动图像:证据从截瘫的患者,”大脑皮层,15卷,不。2、131 - 140年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. p .其实,s . de Schonen桑德琳et al .,“感觉运动皮层活动完整的脊髓损伤患者:功能性磁共振成像研究中,“杂志上的创伤,19卷,不。1,53-60,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. g . Pfurtscheller Brunner, a . Schlogl f·h·洛佩斯·达席尔瓦,“μ节奏(de)同步和脑电图的实验不同的运动图像分类任务,”科学杂志没有,卷。31日。1,第159 - 153页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2009 g . Pfurtscheller et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。