回顾技术检测运动意图使用刺激皮层电位

文摘

刺激皮层电位(MRCP检查)是一种低频的消极转变脑电图(EEG)记录发生前约2秒生产自主运动。MRCP检查复制的皮质过程用于计划和准备运动。在这项研究中,我们概括等特征信号的采集、处理和增强和不同电极蒙太奇用于脑电图数据从不同的研究重新编码,mrcp检查用于预测即将到来的真实或虚构的运动。人体运动意图的真实身份,伴随肢体的知识从事的性能和它的方向运动,有一个潜在的含义的控制外部设备。这些信息可能有助于发展一个精通致病康复工具基于脑-机接口(bci)。这样一个BCI范式和较短的响应时间似乎更自然的截肢者,也可以导致大脑可塑性。随着不同的培训计划,这可能导致中风患者恢复运动控制。

1。介绍

预测汽车的想法最初亥姆霍兹在1867年提出的任务。后来,在五十年代斯佩里和冯·霍尔斯特表示,汽车命令做一个内部复制揭示预期的运动及其随后的感觉(1- - - - - -3]。从那时起,一想到被人类预测机动任务的结果作为一个明显的上升理论在感觉运动命令的所有功能。

大脑的电流电机实时活动可以理解通过脑电图,可进一步用于预测下一个自愿的运动任务。实时脑电图可能现在小说nonmuscular控制通道脑机接口(bci)消息和命令传递到外部世界(4]。bci是提供完全瘫痪的直接目标用户提供基本的通信功能,并确定他们的意图从一系列不同的电生理信号4]。此外,研究表明脑节奏的前瞻性研究中,脑电图与事件相关电位(erp)记录。因此,了解和分析大脑的节奏和erp可用于预测未来汽车活动,可以用于恢复身体受损的人(5]。

研究表明,脑电图包含足够的实时信息,用于不同的目的/互联网浏览等任务,控制环境(如光、电视、和温度),字(词)处理技术中,控制二维屏幕上光标移动,甚至操作neuroprosthesis [4]。任务可以设计可以用于neurorehabilitation患者影响的神经退行性疾病,如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(6)和其他创伤性脑疾病像中风(7]。

“premovement的概念”或“运动”前显示的时候没有明显肌肉运动或无关如果它发生,但主题是完全熟悉行动他将执行在不久的将来。这也称为计划/准备的动作。在这个时间间隔(即。,0.5–2 s prior to the movement onset), the cortex is adapted for implementation of action [8,9]。

本文的目的是审查的不同研究使用刺激皮层电位(mrcp检查)来预测即将到来的运动。在下一节中,我们说明了关键修改脑电图数据公布前随意运动和如何使用这些变化的知识提取关于即将到来的运动信息。在每种情况下,我们讨论的主要基础研究和评估EEG设置和协议。最后,在结论中,我们概括的关键想法希望将更多考虑premovement和运动图像脑电图的富裕。

2。运动开始前可检测大脑的变化节奏

在本节中,我们总结报告发病前脑电图变化的实际或图像运动。所有以下现象描述当运动想象的和实际执行时。一个或一个合并这些进展的根本焦点研究获取特性从运动图像或premovement期间,在部分讨论3。

2.1。MRCP检查及其组件

机动任务的实现在人类之前测量的初级运动皮层是缓慢减少脑电图振幅(至少在500 ms)这可能被称为一个MRCP检查(10),如图1。MRCP检查生产公司的计划和执行cue-based运动被称为或有负变化(CNV) [11),而产生的一个针对自学运动被称为Bereitschaftspotential (BP) (12,13]。MRCP检查存在在现实和虚构的意志的运动(10]。MRCP检查由三个事件称为准备潜在(RP)或英国石油(BP)电动机的潜力,和movement-monitoring潜力(MMP),这被认为反映了运动计划/准备、执行和控制性能,相应的(14,15]。MRCP检查进一步调查了在正常人员以及患者被诊断出患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症,震颤,帕金森病,和中风,支持它们的运动任务的执行(14,16- - - - - -18]。mrcp检查与虚构的任务让它们用于康复的病人阻塞与动作,但仍希望和想象一个运动19,20.]。

2.1.1。Bereitschaftspotential

英国石油公司或皮层RP是负的电位开始成长约1.5 1 s发病前自愿运动(12,13]。它有两个基本部分:第一部分是水位逐渐上涨负段发展约1.5秒在运动开始之前,被称为“早期英国石油(BP)”,更多的杰出central-medial头皮,而第二部分有一个陡峭的斜坡和发生前的400 - 500毫秒左右运动发作,称为“已故英国石油公司”在初级运动皮层(最大振幅10]。BP关于运动的开始出现大幅变化在不同运动条件和对象(10]。英国石油公司的更多细节可以在综合书“Bereitschaftspotential-Movement相关皮层电位”[21]。

2.1.2。或有消极的变化

CNV是一个缓慢的负波起源于之间的间隔(1 - 1.5 s)“警告”和“去“刺激(11]。它显示了迫在眉睫的期望信号和准备执行的响应。换句话说,CNV揭示了准备暗示运动,是一个指标期待。前面的一部分生成CNV在回答“警告”提示,最大振幅在额叶皮层反映阶段的运动,而后期或终端CNV,反映准备运动反应,开始于“走”信号前1.5秒左右,最大振幅的运动皮层(3,22]。CNV的后期发生即使主体回应当时他预计“走”的刺激11]。

2.2。发电机的MRCP检查来源

一些研究报道说,英国石油公司可能被记录从皮层下结构基底节和丘脑等10]。工作(24]推断早期英国石油(BP)是由两个感觉运动区域。工作(25)同侧和对侧的验证,辅助运动区(sma)生成潜力符合早期的英国石油公司。

为了阐明确切的区域和时间的运动皮质激活在随意运动,偶极子源分析合并多个约束条件申请MRCP检查。工作(26]表明,内侧frontocentral (MFC)和感觉运动区域(SM1)可能发电机MRCP检查。六个偶极子的力量,去籽的激活点(三个偶极子左SM1,两个在SM1,和一个在MFC)通过功能磁共振成像显示,测量。在双边SM1,中央前回的激活发生双边可比力量从−1.2 s,之后由中央前的银行从−0.5年代侧优势通过运动执行(26]。因此,中央后银行会主动侧一边在0.1秒后运动。激活的MFC显示时间类似于两国中央前回。兴奋的强度和时机侧中央前回就像侧的中央前回和MFC。但身体的同侧的中央前银行证明比双侧中央前较小强度(26]。

在一定程度上自动动作,如闪烁的眼皮,自发的眼球运动,吞咽、咀嚼,和呼吸也由意志控制因素;因此,英国石油(BP)是记录在这些运动重申以自学的速度(10]。自学的手指运动前SMA的激活有关,两个侧感觉运动皮质和侧前运动皮质,但没有实质性的侧感觉运动皮质的激活(27]。外部触发运动,premovement潜在刺激在场(前27]。同样,几乎没有之间的区别在激活外部触发激活和自学激活。一个自学的手指运动,28]运动皮层的激活SMA在…之前报道,800 ms。

背侧前运动皮层(PMd)被认为是在暗示运动准备发挥实质性的作用,而不是在自己发起的运动29日]。生成终端CNV在前额皮质包括PMd,虽然后期英国石油生成的初级运动皮层,SMA,初级躯体感觉皮层(29日]。本研究发现了PMd的变化对英国石油公司和CNV的影响反映自创的对比暗示运动准备通过增加和减少大脑的兴奋性使用5赫兹和1 Hz重复经颅磁刺激(rTMS),分别。他们发现rTMS左PMd导致终端CNV的变化但不迟BP rTMS SMA的导致修改的英国石油(BP)但不是终端CNV。这提供了证据表明,神经活动左PMd在人类顺利地包含在外部暗示运动的准备比自己发起的运动,对比与SMA的相反作用。

比较足运动用手运动的MRCP检查显示有趣的差异在一些运动部件(30.]。手的运动,已故的英国石油(BP)在侧最高中心区域(约国际10 - 20的C1和C2系统)和脚运动,后期BP在中线最大(约Cz) (30.]。

2.3。MRCP检查记录

BP在个别学科研究手部运动,是至关重要的记录脑电图从多个电极,包括C1和C2、识别突然增加的梯度30.]。mrcp检查的主要记录位置C3, Cz, C4 (31日]。不同的研究使用不同数量的电极记录CNV和地点,例如,C3, Cz, C4 (32],Fz、Cz Pz、C3和C4 (33),只有Oz (34]。

MRCP检查可以很容易地掩饰了活动在高频段,因为其振幅通常位于5至30之间μV和只发生在约0 - 5赫兹的频率(31日]。几个录音必须采取相同的试验,然后在这些试验平均提取有意义的MRCP检查从脑电图的痕迹35]。这种方法背后的原因是,从单个试验记录脑电图数据包含MRCP检查波形和自发的,随机噪声(36]。通过平均,每个试验中的背景噪音将被取消,只留下MRCP检查,当数据从多个试验过滤消除高频率活动和平均在一起。

2.4。英国石油公司的影响因素

MRCP检查组件可以受各种因素如预备状态,意图,水平运动选择,重复运动,运动的速度和精度,实践运动,认为努力,力,离散性和复杂性的运动,学习和技能习得,各种大脑结构的病理损伤。的审查(10]总结几个因素影响英国石油公司。最近,一些研究旨在分析动力学的影响等运动的力量和速度在mrcp检查37- - - - - -40]。

3所示。预测运动的意图

在本节中,我们提取信息premovement或preimageries从不同的研究。一些研究显示数据获取实时bci的有效性。研究利用不同的脑电图数据采集技术包括不同的电极蒙太奇和信号增强方法,因为这些相关报道的结果。研究中提到的表1和2试图回答这个问题是否主题想移动在短期的未来。这些研究证实通过mrcp检查正确的脑电图设置和信号处理技术,主要信息可以推导出的运动。本节简要介绍一些分类器、过滤器和性能指标用于表中提到的研究2。

3.1。分类算法

本节简要介绍了用于研究本文中提到的分类算法。分类算法包括支持向量机(SVM),线性判别分析(LDA),神经网络(NN),多层感知器(MLP),贝叶斯分类器(BC),最近的邻居(神经网络),而距离(MD)。这些分类技术受到详细审查(41]。可以找到的细节匹配滤波器技术(42)和保局投影(垂直距离)(20.]。

3.1.1。支持向量机

支持向量机(SVM)是一种模式识别算法已成功应用于各种各样的分类问题。它学会区分各种类的对象被一些复杂的数据转换,然后单独的数据基于定义的类标签。例如,两舱问题包括对象的数据标记对应两个类,例如,+ 1(数据属于类1)或−1(数据属于二班)。然后系统自动识别输入点,并使用它们来表示解决方案(43]。

3.1.2。线性判别分析

线性判别分析(LDA)的目的(也叫费雪的LDA)是使用超平面隔离数据到不同的类(44]。分离超平面是寻求收购投影,增加组内的方差和减少两个类之间的距离的意思。解决两舱问题隔离输入数据向量到类的依赖存在的数据向量在超平面的哪一边44]。

3.1.3。神经网络

神经网络(NN)可以被认为极大的电路互联单位和灵活的互连权重,这让我们产生非线性边界的决定。他们可以分类架构,对校准权重算法,这种单位利用作为电路的一部分(45]。使用最广泛的神经网络中的延时。

3.1.4。多层感知器

多层感知器(MLP)是由几层的神经元:一个输入层,也许一个或多个隐藏层和输出层(45]。每个输入层与上一层的输出,而输出层的神经元推断类的输入特征向量。延时时逼近任意连续函数可以由足够的神经元和层。它还可以分类任意数量的类,这使得延时非常灵活的分类器和自适应各种各样的问题(46]。

3.1.5。贝叶斯分类器

贝叶斯分类器(BC)取决于贝叶斯定理,可以预测类成员概率,例如,给定样本的可能性符合一个特定的类。为了分类特征向量,它学习的方法计算每个类的概率。公元前假设估计的具体特性不依赖于任何其他的价值功能,提供类变量。生成分类器,它产生非线性决策边界和执行更有效的拒绝不确定样品相比有识别力的分类器(44]。

3.1.6。最近的邻居

这种方法的目的是分配给一个看不见的点在其统治阶级最近的邻居在训练集。神经网络可以逼近任意函数有足够的训练样本和一个足够高的价值,这将使它能够产生非线性决策边界(47]。

3.1.7。Mahalanobis距离

Mahalanobis距离分配一个特征向量类根据其最近邻(s)从一个类原型。它假定一个高斯分布 为每个类的原型。然后一个特征向量分配给类链接到最近的原型(48]:

3.2。空间过滤器

一个空间滤波器将数据从两个或两个以上的位置(电极)。空间滤波技术包括常见的空间模式(CSP),常见的平均引用(汽车),表面拉普拉斯算子(SL),独立分量分析(ICA)和主成分分析(PCA)。本节简要介绍一些空间过滤器;更多细节请参阅[49]。

ICA方法旨在找到一个非高斯数据的线性插图的形式统计独立组成组件(50]。组成的测量信号统计独立的源信号的线性混合可以溶解到至关重要的独立组件(ICs),因此推断原始信号使用ICA [50,51]。ICA发现频道从数据的加权主成分分析和CSP (4),而汽车和SL合并通道线性产生一组权重,不依赖于底层数据(4]。SL强调了神经活动的径向分量直接放置在每个记录电极来源,而ICA能够检测径向和切向来源,因此可能是有益的SL (4,52]。细节对于CSP和汽车可以在[49]。

3.3。性能的措施

性能的研究是计算使用敏感性,特异性,检测错误。灵敏度(也称为真阳性率(TPR))量化的分数实际阳性(运动),恰恰是公认的。特异性(也称为真阴性率(TNR))评估分数的底片(没有运动或噪音)检测。敏感性和特异性计算使用以下方程,分别在TP、TN代表真正的优势和真正的数量不足,数量分别为(53]:

4所示。研究预测运动的目的

发展自学闭环bci,电动机的健壮的检测目的是一个至关重要的和关键的问题。在过去的几十年里,感觉运动节奏已经被用于检测运动意图研究包括bci来控制视觉反馈(54)或触发外部设备(55没有调查延迟)。在最初的研究中,可接受的延迟控制尚未详细考虑BCI控制应用程序。在其他领域,例如,多功能假肢控制通过肌电的信号,200毫秒的延迟是可以接受的(56- - - - - -58]。导致BCI-based可塑性neurorehabilitation应用,证明所需的延迟是在相同的范围控制,也就是说,在几百毫秒的顺序(59]。因此,以最小的延迟和高可靠的检测精度将发挥至关重要的作用在一个有效的BCI康复工具(7]。

4.1。技术使用和性能

近年来,缓慢的皮质康复领域的潜力引起了关注。几项研究已经报道,集中他们的注意力用于通信的目的。

Yom-Tov和Inbar43结合匹配滤波器)开发了一个算法,非线性变换和分类器使用少量的脑电图检测MRCP检查通道。算法与Mason-Birch低频异步检测器(LFASD)和最优检测器的离线评价和理论分析。这项研究显示,25%使用的算法改进和探测器工作25的速度决定⁻¹比16的决定⁻¹LFASD。但探测器可能不是有用的在每一个应用程序,未能正确操作,部分原因是干扰身体的其他肢体的可机读护照,可能由于想象动作。这些裁决表明,正确识别特征有一个重要的角色不仅在丢弃mrcp检查由于运动不是BCI系统的一部分,而且在决定肢体移动用户(或想象运动)。会议期间,培训主题,以减少身体活动可以达到更好的效果。

检测运动规划,60)使用一个特定于用户的模板匹配结构作为一个方法的一部分。在这项研究中,重点是运动检测比预测。执行实际的手指运动与线索,一个电极记录BP波形,然后用于构建模板。然而,性能不一致对象之间明显在这项研究中,需要更多的调查或者一个不同的方法。

从单一审判脑电图,61年)表明,有效的组合计算方法可以提供可能的人体运动意图分类使用大量的电极。时域滤波的组合使用功率谱密度估计和离散小波变换,使用ICA和表面拉普拉斯算子推导空间滤波,使用LMD和分类方法,QMD,公元前和SVM比其他组合提供更高的性能。评价建议为了检查是否性能可以加强训练后反馈。

OSF的有效性在等距跖屈的想象力被确认在进行的一项研究[53]。与PCA特征提取和分类进行使用神经网络和支持向量机。在这项研究中,tpr高(80 - 90%),但该方法验证分割数据,而不是只与一个主题进行脑电图的痕迹。

加藤et al。34)设计了一个BCI总开关通过检测CNV相关势和执行离线和在线研究。为了改善用户意图的实验不会歧视开关,CNV受雇由于其高的信噪比。只使用一个电极和执行四个暗示按钮按下的任务,他们也支持向量机应用于改善CNV-related实验检测的潜力。他们的在线系统没有分辨“打算开关”和“不打算开关。“这可能是由于LIBSVM的使用默认参数的支持向量机的区别CNV-related势(34,62年]。

检测运动意图从单一的运动想象和运动执行审判mrcp检查是由(42]。执行的任务主题总是一样(踝关节背屈)。是因为他们执行离线检测仪器的限制和提供方法的可行性在中风患者,以及广泛的健康受试者的分析。检测运动目的是测量的准确性通过应用一个类似的空间滤波技术。在这项研究中,负相的一部分(2 s) MRCP检查作为一个模板。为了提高信噪比的MRCP检查,OSF (TPR)。OSF表现大拉普拉斯算子空间滤波器(TPR)和CSP (TPR =)。

卢et al。63年)解释说,可以预测发生前的运动500 ms。训练阶段,信号之前运动开始到500年之前相比,使用500 ms女士听觉线索。而移动窗口实现测试阶段和LDA受雇,结果显示81%的最大平均TPR的左手虽然79%的中风和对照组。而对于健康受试者平均TPR延迟的ms。这个离线研究雇佣大量的电极与小样本大小的病人。

Ahmadian et al。64年)显示方式的优越性在探测人的大脑潜力与BSS算法基于使用LDA算法。主题暗示按钮进行预处理。基于CBSE算法把0.26 s, BSS算法51.90秒。所有128个频道脑电图数据用于分析。建议可以减少错误检测率如果BSS-based算法使用提取的来源是错误的与英国石油公司从其他的大脑区域的形状。另一方面,这个修正案会增加计算时间。

电动机的意图可以从使用匹配滤波器MRCP检查,发现小延迟和令人满意的精度。在执行相同的任务19,20.,42,65年]。Niazi等人进行健康分析和中风患者42,65年]。他调查的可能性,规避个人培训阶段检测运动的意图。检测精度平均运动图像数据的模板(65年)和个人模板(65年]。

Jochumsen et al。39)检测到运动意图和提取不同层次的目标运动的速度和力量。时间特性和优化的支持向量机分类。本研究评估性能检测与分类相结合时。系统正确检测到81%的运动。的检测、系统分类和当改变的力和速度,分别。探测器和分类器后,系统检测并正确分类和的运动。错误检测和分类的动作和而延迟女士在运动开始之前。作者只包括健康受试者和信号处理离线。系统的性能将会下降,如果用户是一个病人由于严重的运动障碍,情绪,和数量的训练。

徐et al。20.)对健康受试者进行分析。在这项研究中,LPP-LDA显示更高的精度和更短的延迟匹配滤波器相比,有限制,分类器不会训练试验不到15时工作。该算法有类似玻璃钢想象力和执行在所有科目。TPR为执行和图像大于80%和70%在这项研究中,使它明显优于使用匹配滤波器方法(19,42,65年]。同时检测延迟(ms)明显短于,使用匹配滤波器(ms) (19,42,65年]。

进一步改善结果,66年)应用ICA和MRCP检查的LSF提高信噪比。这些预处理步骤后,匹配滤波器应用于执行的实验检测起始的步态。TPR是,假阳性率玻璃钢每分钟。在单个试验基础上,这些结果表明检测的可能性的意图步态开始从脑电图信号。

在最近的一项研究[67年),6名健康人和八中风患者上肢自学达到执行动作。本研究从分析获得的信息分类器结合使用的BP和ERD皮质流程。系统验证了组合分类器(ERD和BP模式)和等价分类器(使用BP或ERD)。健康受试者的结果类似于(20.]。然而,平均延迟(健康:和病人女士:ms)不到(20.)(女士)。这些差异可能是由于不同的方式在每个实验对象执行任务例如上肢和下肢皮质之间的变化模式,运动的速度,和长度之间的休息间隔运动。观察到的变化也可以,因为合并后的预期使用ERD和BP的特性,这有助于减少玻璃钢和,因此,使更多的预期的检测阈值的偏好(67年]。

摘要面对复杂性涉及没有类似的研究探测器的目的而言,信号采集,肢体运动,电极的数量。应该注意的是,运动中执行不同的研究并没有类似的导致信号形态变化和信噪比。理想的研究应该在相同的背景下,也就是说,具有类似协议,用户,和类似的提取功能。

虽然提到的预测研究提供一个有价值的洞察mrcp检查使用不同的信号采集技术,框架的研究并非没有障碍。一个限制相关的大多数研究没有明确提到生态效度的研究,那就是,“在多大程度上实验情况模拟现实世界情况”(31日]。存在生态效度的研究意味着在实验室使用的专业知识情况可以尽可能与实际技能的研究探索和最好是相同的。

4.2。指导方针,选择一个分类器

脑电图信号明显不稳定所以训练集获得从不同的会话可能是完全不同的。因此,低方差(敏感性训练集)可能是一个解决方案来解决与可变性问题在一些研究。不稳定的分类器往往有较低的偏见(估计偏差之间的映射和最高级映射)和高方差,而稳定的分类器有很高的偏差和低方差(41]。这可能是一个解释为什么一些简单的像SVM分类器,匹配滤波器等等有时超过复杂的多。简单的分类器通常低于其他分类器,但对实时应用程序的足够快。在这里,问题是这是否值得得到更高的性能为代价的计算成本。为了获得最小的分类错误,必须小方差和偏差。不幸的是,自然variance-bias权衡是永远存在的41]。

分类器可能会给糟糕的表现如果训练数据的数量较小的大小匹配特征向量。使用至少五到十次每个类的训练样本维数建议(68年,69年]。一般训练集很小,维数高;偏偏这都不能用于BCI系统。的原因之一可能是长期的任务,另一方面是忙碌的科目。因此这种“诅咒”BCI设计中是一个关键问题。

此外,组合分类器似乎也非常有效的在一些研究[20.,70年,71年]。通常实验进行控制的方式减少噪音和其他构件,同时在现实生活中存在噪声的情况是相当明显的。一个可能的解决方案可能是提高分类器的泛化能力。

5。未来的工作

MRCP检查被雇佣为BCI技术的控制信号。主要有利于神经调节应用程序的意图行动之间的延迟和系统的反馈是至关重要的诱导塑性(19]。BCIs主要是用于控制和沟通(4];然而,近年来其潜在neurorehabilitation等研究了功能性电刺激(6]。bci是广泛应用于研究和主要问题是其长期影响或长期可变性的脑电图信号随时间变化评估保留的可塑性(7]。所以需要设计研究长期评估性能和精度BCI系统的健康受试者和病人。信号处理在bci继续进步,下一个观点是将额外的信息关于神经生理学,疾病信号动力学行为及其发展到现有的或未来的方法。

6。结论

脑电图即将与汽车运动协会之前收集的数据准备和规划期的大脑存在大量预测潜力。可以使用说明意图通过MRCP检查在康复协议。根据BCI系统的目的,可以实现更高的TPR增加假阳性的数量,虽然一些研究倾向于给低优先级玻璃钢TPR(而不是高43]。总之,本文综述脑电图在预测未来汽车任务的熟练程度和主要针对提供的例子在这一领域的进展。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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