任银芝，邓　彬，丁一琦，孔万增

(1.杭州电子科技大学计算机学院，浙江 杭州 310018；2.台州广播电视大学，浙江 台州 318000)



基于脑地形图矢量夹角法的脑卒中研究

任银芝1，邓彬1，丁一琦2，孔万增1

(1.杭州电子科技大学计算机学院，浙江 杭州 310018；2.台州广播电视大学，浙江 台州 318000)

摘要：脑电是卒中康复研究中比较有效的手段之一，也是卒中康复研究中的热点.在视觉刺激运动想象心理旋转认知任务的基础上，采集正常对照组和卒中患者组的脑电数据，利用脑地形图矢量夹角的方法对两组数据进行分类，并分析卒中病灶对运动想象神经机制的影响.实验结果表明，在反应执行阶段，正常对照组和卒中患者组的分类效果最好，并在反应执行阶段表现为健侧半球主导.

关键词：脑电信号；脑地形图；运动想象；矢量空间夹角

0引言

脑卒中发病急，病死率高，是世界上最主要的致死性疾病之一，运动功能障碍是脑卒中后最主要的表现之一，如何解决脑卒中后运动功能的恢复是提高病人及家属生活质量的首要任务和目标.随着脑电(electroencephalogram，EEG)技术及脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)技术的发展，脑电在卒中康复中的应用越来越受到重视并取得了一定的研究进展.目前，脑电技术在卒中研究中的应用主要分为基于脑电的脑机接口在中风康复治疗的研究和基于脑电的中风康复评价研究两大部分.基于脑电的脑机接口的研究主要有：美国凯斯西留地大学由Hunter Peckham领导的研究组利用64导脑电图研究了四肢瘫痪患者Jim Jatich恢复一定的手部运动功能的过程；文献[1]分析了基于MI-BCI的上肢康复过程中记录的脑电信号，以便更好地理解BCI在卒中后康复的疗效；文献[2]通过临床试验研究了脑卒中偏瘫患者操作基于EEG的运动想象—脑机接口(MI-BCI)的能力，同时评估了基于EEG的MI-BCI神经康复反馈机器人在脑卒中上肢康复上的疗效.基于脑电的康复评价研究主要有：文献[3]开展了使用定量脑电(QEEG)反馈提供神经恢复进展的信息来激励康复期的病人的研究；文献[4]提出了一个新的方法用于检测卒中病人运动康复时的认知参与；文献[5]利用事件相关电位和复杂脑网络来研究脑卒中对运动想象神经机制的影响.

矢量空间夹角法即空间矢量的夹角最近邻法，目前多用于人脸识别的研究中，本文采用矢量空间夹角的方法，对正常对照组和脑卒中患者组心理旋转过程中的脑地形图进行分类，并通过对组平均脑地形图的分析，来研究卒中病灶对运动想象神经机制的影响.实验结果表明，脑卒中患者运动想象的能力下降.

1实验设计

实验采用德国的Brain Products公司生产的32通道的脑电采集系统(Brain Products GmbH, Munich, Germany)，采集正常人和脑卒中患者在执行运动想象心理旋转认知任务过程中的脑电数据.实验的视觉刺激材料呈现程序由E-Prime编排.视觉刺激图片分左右手的旋转0°，60°，120°，180°，240°，300°，共12种刺激.刺激图片随机呈现，被试判断呈现的图片是左手还是右手，并作出相应的键盘反应，行为学数据由E-Prime软件记录，并同步标记在EEG数据上.

实验数据来自上海交通大学与上海市第五人民医院神经内科合作采集，所有患者均为左侧半球梗塞性脑卒中，平均年龄为(60.3±12.8)岁，对照组被试为同年龄段正常被试人员.

心理旋转认知的过程一般包括视觉刺激的编码、心理旋转和反应执行3个阶段，如图1所示，从刺激出现到300 ms是刺激编码阶段，301～800 ms为心理旋转阶段，801～1 400 ms为反应执行阶段.

图1　心理旋转认知过程

2矢量空间夹角表征

2.1矢量表征

EEG是在大脑皮层或头皮表面的脑神经细胞电生理活动的总体反映.EEG是大脑神经元突触电位的综合，是大脑神经电活动产生的电场经容积导体传导后在头皮上的电位分布.对某一时刻t的多通道脑电信号根据其电压幅值绘制出脑电电位的空间分布图，形成脑地形图.

(1)

(2)

2.2分类

目前已知的分类器多数采用最近邻分类器.最近邻分类器就是把测试样本xtest归入到与之距离最近的x′所属的类别中.分类器中的“距离”测度一般采用欧氏空间距离，本文对“距离”的测度采用矢量之间的夹角，测试集中未知类别的测试样本Vtest分别与对照组和卒中组的中心向量做矢量夹角判断如下公式：

(3)

如果cos(Vtest,Vc_c)大于cos(Vtest,Vp_c)，则判断Vtest是正常组类；反之，则判断Vtest是卒中组类.

采用矢量空间夹角的原因如图2所示，从正常对照组中取一个测试向量Vi，Vi与对照组中心向量Vc_c的欧氏距离dic，与卒中组中心向量Vp_c的欧氏距离dip，矢量空间夹角分别是θic，θip.由图2可知，dip小于dic，若采用欧氏距离，则判定Vi属于卒中组类，分类结果明显是错误的，因此，选用矢量空间夹角的方法可以很好地避免这类误分.

图2　矢量角和欧氏距离的示意图

3实验结果分析

3.1分类结果

对照组样和卒中组的本量均为120，分别从对照组与脑卒中组中随机选取60个样本作为训练样本，进行交叉训练，剩下的样本作为测试集Vtest.在此基础上，扩大训练样本量为65,70,75,80,85，根据本文提出的算法，得到整体测试集的分类准确率如图3所示.

图3　对照组与卒中组总体分类准确率

从图3可以看出，本文提出的脑地形图矢量空间夹角法的分类正确率受样本量的影响不明显，表现较为稳定，适合于少训练样本的判断分类.反应执行阶段的分类正确率高于刺激编码和心理旋转阶段.

对照组和卒中组的测试集Vctest，Vptest在不同的训练样本量时分别得到的分类判断结果和均方差如表1所示.

表1　对照组与卒中组在不同样本量下的分类判断结果

从表1中可以看出，在反应执行阶段，对照组和卒中组整体的正确率比较高，正常对照组和脑卒中组的分类结果最好.

3.2组平均脑地形图

根据本文提出的算法，对照组和卒中组取所有样本时得到的运动想象心理旋转认知过程中刺激编码、心理旋转和反应执行阶段的脑地形图，如图4所示.

刺激编码阶段主要是对刺激的物理属性(如颜色、形状等)和空间方位进行编码.顶叶主要负责空间信息的编码，当大脑对视觉刺激进行空间信息的编码时，会激活顶叶区域.这一阶段，正常对照组的枕叶、顶叶是大脑的主要活跃区域(如图4(a)).心理旋转阶段则主要是对视觉刺激图片进行内源性的空间旋转，是类似真实的物理旋转，需要顶叶的参与(如图4(b)).反应执行阶段正常对照组的顶叶以及和运动相关的中央区是大脑的主要活跃区域(如图4(c)).负责大脑空间感知、信息处理和运动执行是顶叶的主要也是最重要的功能[8-9]，因此心理旋转认知过程中顶叶是大脑电活动的主要活跃区域.

相比正常对照组，脑卒中患者在刺激编码阶段顶叶和枕叶依然活跃(如图4(d))，说明脑卒中患者依然可以对视觉图片刺激的物理属性进行编码，而心理旋转阶段大脑的主要活跃区域集中在右侧顶叶，患侧半球的顶叶活跃程度减弱(如图4(e))，说明患侧顶叶对空间信息的感知能力和处理能力受到损伤.而反应执行阶段脑卒中患者的左半球和运动相关的区域活跃程度明显减弱并表现为健侧半球主导(如图4(f))，说明其内源性的神经活动受损.

图4　心理旋转认知过程的脑地形图

4结束语

本文研究了基于脑地形图矢量空间夹角的卒中组与对照组分类测试，以及卒中病灶对运动想象神经机制的影响.通过实验数据分析得到初步结论：在反应执行阶段，对照组和卒中组的分类效果最好；卒中患者心理旋转和反应执行阶段患侧顶叶以及和运动相关的区域活跃程度的降低与缺失，导致卒中患者的空间认知能力下降，最终导致脑卒中患者运动想象心理旋转的能力降低，并在反应执行阶段表现为大脑活跃为健侧半球主导.本文研究的基于矢量空间夹角的卒中分类和卒中病灶对运动想象神经机制的影响的结论对后期的卒中康复研究与建立卒中预警系统有一定的实用价值.

参考文献

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DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.03.011

收稿日期：2015-09-22

基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2014DFG12570)；中国博士后科学基金资助项目(2015M571878)

作者简介：任银芝(1990-)，女，河南鹿邑人，硕士研究生，计算机应用技术.通讯作者：孔万增教授，E-mail：kongwanzeng@hdu.edu.com.

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)03-0052-05

Study of Stroke Based on the Vector Angle of Brain Topography

REN Yinzhi1, DENG Bin1, DING Yiqi2, KONG Wanzeng1

(1.SchoolofComputer,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.TaizhouRadio&TelevisionUniversity,TaizhouZhejiang318000,China)

Abstract：EEG is an effective tool in the research of stroke rehabilitation, which also is a hot topic in this field. The EEG data both of the control and stroke group was collected from the motor imagery cognitive task with visual stimulation, then it was classified into the control and stroke group by the method of vector angle of brain topography. The paper also revealed the impact of stroke on the cognition of motor imagery. The result of the experiment shows that the classification of the control and stroke group is the best in the decision-reaction stage, and the performance of the decision-reaction stage is the dominant in the healthy side.

Key words：electroencephalograph; brain topographic; motor imagery; vector angle