運動想象（MI）以其針對性強、方便易學、無需特殊設備等優點，常被用于體育訓練和神經康復等領域，并成為認知神經科學的一種主要研究范式。經顱直流電刺激（tDCS）作為一種新興的神經調控技術，可調節皮質興奮性，進而影響運動等功能，然而tDCS對于運動想象任務態是否具有積極影響目前尚不明確。本文納入了16名年輕健康受試者，采集受試者在接受tDCS前、后執行運動想象任務時的腦電（EEG）信號和近紅外光譜（NIRS）信號，計算并分析了不同任務期間的多尺度樣本熵（MSE）和血紅蛋白濃度變化情況。結果發現，tDCS刺激后任務相關腦區的MSE升高，含氧血紅蛋白濃度增加，總血紅蛋白濃度上升，表明tDCS提高了任務相關腦區的激活程度，說明tDCS對運動想象具有積極作用。本研究或可為tDCS聯合運動想象的臨床研究提供一定的參考價值。
引用本文： 么航, 于洪麗, 杜博愛. 基于腦電圖與近紅外光譜的經顱直流電刺激聯合運動想象對腦功能的影響研究. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(3): 476-484. doi: 10.7507/1001-5515.202310029 復制
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0 引言
運動想象（motor imagery，MI）是一種對運動動作想象的心理活動。在進行運動想象時，僅完成運動動作在大腦中的演繹，不具備實際動作所產生的肌肉活動[1-2]。運動想象對運動功能的提升，源于反復運動想象產生的記憶在大腦中激活運動活動相關的特定區域[3]。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）作為一種新興的腦部刺激技術在近年來應用廣泛。通過放置在頭皮上的電極向大腦特定區域施加恒定、低強度的直流電來調節大腦皮層神經元的活動[4]，從而達到治療各種神經系統疾病的目的。tDCS在神經元水平上的基本作用機制是以微電流刺激的方式激活神經細胞，從而提高皮質功能區的興奮性，因而具有改變神經細胞靜息膜電位[5]、調節大腦皮質興奮性[6]、改善腦網絡連接[7]、改變大腦局部腦血流等功能[8]。
tDCS能對運動皮層產生作用，從而影響運動功能[9]，然而其對運動想象任務態是否具有積極作用仍不明確。Sawai等[10]發現受試者在接受tDCS后進行左手手腕背屈的運動想象神經反饋訓練時，較接受tDCS前，事件相關去同步化（event-related desynchronization，ERD）現象增加，視覺模擬量表（visual analog scale，VAS）的結果顯示運動想象的生動性明顯提高，表明tDCS能提升基于運動想象的神經反饋訓練的效果。Yang等[11]發現對初級運動皮層施加tDCS后，較刺激前，在運動想象執行階段，樣本熵和腦功能網絡結果的差異具有統計學意義，表明tDCS對大腦運動區復雜度和功能連通性有較大影響。Mozafaripour等[12]發現運動想象訓練結合tDCS刺激小腦，可以使具有高跌倒風險的中年婦女的平衡能力得到改善。然而，Metais等[13]研究卻發現tDCS并不能增強老年人手指敲擊序列運動想象訓練的效果，偽刺激組與真刺激組訓練后的成績差異無統計學意義。Hu等[14]發現tDCS聯合運動想象組的受試者在腦卒中后運動功能的改善效果上與單純運動想象組的受試者無組間差異，說明tDCS并不能進一步提升運動想象對腦卒中后運動功能改善的效果。由此可見，tDCS對運動想象是否存在作用、作用效果如何，仍有待進一步研究。
腦電圖（electroencephalogram，EEG）有著較高的時間分辨率[15]，成為大多數腦機接口（brain computer interface，BCI）系統的首選。近紅外光譜（near-infrared spectroscopy，NIRS）具有較高的空間分辨率且實驗要求相對較低[16]，可以與EEG信號在時間與空間上相互補充，二者結合能更全面地檢測大腦活動[17]。為了進一步研究tDCS對運動想象任務態是否具有積極作用，本文采集了16例年輕健康受試者在接受tDCS刺激前、后執行運動想象任務時的EEG信號和NIRS信號，利用多尺度樣本熵（multiscale sample entropy，MSE）算法對EEG信號復雜度進行分析，同時計算刺激前、后的含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的濃度變化，以探究tDCS對運動想象的作用效果。
1 試驗內容與處理方法
1.1 試驗對象
本研究隨機選取了16名健康受試者參與試驗，其中男性8名，女性8名，年齡范圍在22～27歲，平均年齡為24.7歲，皆為右利手，視力正常或已被矯正至正常。所有受試者無精神疾病、腦損傷、神經紊亂等個人或家族病史，身體狀況良好，無藥物或酒精成癮等。本研究方案通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審核（批文編號：HEBUThMEC2022048），所有試驗流程均在受試者充分理解和書面同意的情況下進行。
1.2 試驗參數設置
結合以往研究并參考文獻[18-19]，本文選擇tDCS陽極刺激，將電極陽極置于左側初級運動區，陰極置于對側眶上區域，具體位置如圖1所示。刺激電流強度為1.5 mA，淡入淡出時間為30 s，電極選用粘膠電極，大小為5 cm × 7 cm，刺激時長為20 min。
圖1
刺激位置、EEG通道及NIRS光極分布示意圖
Figure1.
Schematic of stimulation position, EEG channel and NIRS photopole distribution
1.3 試驗范式
每名受試者共需進行2次試驗，第1次試驗受試者僅進行運動想象任務，記作對照組；第2次試驗受試者在接受tDCS后進行運動想象任務，記作試驗組。2次試驗間隔為7 d。每次試驗由40個試次組成，其中包含順序隨機的20個左手運動想象試次和20個右手運動想象試次。運動想象試驗范式如圖2所示，單個試次步驟如下：
圖2
運動想象試驗流程
Figure2.
Experimental flow of motor imagery
（1）受試者盯著屏幕中央的白色“+”注視點，前2 s處于靜息狀態，不做任何想象活動。之后，屏幕上顯示左或右方向箭頭；
（2）受試者根據箭頭提示方向，進行左/右手拿起水杯的運動想象直至箭頭消失，受試者結束想象任務；
（3）休息15 s，使頭部血氧濃度恢復，此時受試者處于安靜狀態，不做任何思維想象，之后開始下一試次。
在受試者執行運動想象任務期間，同步采集EEG信號和NIRS信號。
1.4 EEG信號和NIRS信號雙模態數據采集
試驗采用64導EEG數據采集系統actiCHamp Plus（Brain products Inc., 德國）記錄EEG信號，該設備可以記錄64通道的EEG信號。使用的電極帽是雙模態電極帽，在10-20國際標準導聯系統的EEG數據采集帽上加入NIRS光極。試驗中以電極FCz作為參考電極，電極接地端（ground，GND）作為接地電極，EEG信號的采樣率為1 000 Hz，試驗過程中所有電極的阻抗均保持在10 kΩ以下。NIRS信號的記錄使用近紅外采集系統NIRSport 2.0（NIRx Inc., 德國）。該系統同時測量了760 nm和850 nm兩種不同波長的近紅外光在大腦中的衰減情況，并通過修正的朗伯-比爾定律將衰減情況換算為血紅蛋白濃度。為更好地探究tDCS對運動想象的作用效應，本文將NIRS的采集區域設置在了初級運動區，即10-20國際標準導聯系統的C3和C4通道附近。共使用8個光源和8個探測器采集信號，光極之間共構成20個信號通道，采樣頻率為7.812 5 Hz。為保證數據的一致性，本文對EEG信號也只進行了C3通道（刺激側）、C4通道（刺激對側）的分析。刺激位置、EEG通道及NIRS光極的分布如圖1所示。
1.5 雙模態數據預處理
研究中，采集到的原始EEG信號較為微弱且存在噪聲干擾，因此需要進行預處理。預處理主要包括：① 采用帶寬為0.5～45.0 Hz的漢明窗濾波器濾波。② 以雙側乳突電極TP9和TP10為基準設置重參考電極。③ 運用獨立成分分析（independent component analysis，ICA）來消除眼電偽跡。④ 以每次任務前2 s的靜息狀態為基線進行基線校正。⑤ 分頻，本文主要分析與運動想象相關的α（8～13 Hz）和β（13～30 Hz）節律[20]。
采集到的原始NIRS信號中混雜著很多生理噪聲，如心跳噪聲、呼吸噪聲、肌源性反應噪聲和神經源性噪聲等，因此也需要進行預處理。預處理主要包括：① 設置標記及刺激呈現時長。② 去除尖峰偽跡。③ 采用帶寬為0.01～0.20 Hz的濾波器濾波。④ 以每次任務前2 s的靜息狀態為基線進行基線校正。
1.6 MSE算法
熵，是衡量信號復雜程度的一個重要指標[21-22]。各種信息熵分析方法，如近似熵（approximate entropy，ApEn）[23]、樣本熵（sample entropy，SampEn）[24]，已經被用來分析時間序列的復雜性。與ApEn相比，SampEn在計算上不依賴數據的長度，且具有更好的一致性[25]。MSE將SampEn擴展到了多個時間尺度，解決了SampEn沒能很好地考慮到時間序列中可能存在不同時間尺度的問題，為時間尺度不確定的分析過程提供了額外的觀察視角[26-27]。在運動想象特征分析中，可通過計算EEG信號不同尺度下的熵值來反映不同狀態（靜息狀態、左手運動想象狀態、右手運動想象狀態）之間的非線性特征[28]。
2 結果及分析
2.1 EEG信號分析
為了分析運動想象期間不同腦區的復雜度差異，分別計算了受試者α頻段和β頻段刺激側（C3通道）及其對側（C4通道）腦區在tDCS前、后執行不同任務時EEG的MSE值，計算結果分別如表1、表2所示。由表1和表2可以看出，EEG復雜度在tDCS刺激后較刺激前呈現上升趨勢。
表1
α頻段tDCS刺激前、后不同任務態MSE值
Table1.
MSE value in α band for different task states before and after tDCS
表2
β頻段tDCS刺激前、后不同任務態MSE值
Table2.
MSE value in β band for different task states before and after tDCS
如圖3所示，顯示了受試者平均MSE值在tDCS前、后執行不同運動想象任務期間變化情況，其中縱軸表示任務期間的MSE值與任務前靜息狀態MSE值的差值，對照組和試驗組即分別為tDCS前、后任務期間較靜息狀態的MSE值變化量。從圖3可以看出，在tDCS前，受試者在執行運動想象任務時，刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）的α和β頻段MSE值均有升高，且執行左手想象任務時對側腦區MSE值增加量高于刺激側腦區MSE值增加量，執行右手想象任務時刺激側腦區MSE值增加量高于對側腦區MSE值增加量。在tDCS后，受試者在執行兩種運動想象任務時均表現為刺激側腦區MSE值增加量高于對側腦區MSE值增加量。
圖3
不同頻段運動想象任務態平均MSE值變化量
Figure3.
Average MSE changes during motor imagery tasks in different frequency bands
經過柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（Kolmogorov-Smirnov）檢驗驗證樣本的正態性后，本文采用威爾科克森（Wilcoxon）檢驗來驗證tDCS對不同任務期間MSE值影響的差異是否具有統計學意義，計算結果如表3所示。由表3中結果可知，受試者經tDCS刺激后執行運動想象任務時，α頻段的右手任務期間以及β頻段的兩種任務期間，刺激側及其對側的MSE值增加量均高于刺激之前。
表3
不同頻段刺激前、后不同任務期間的MSE值統計學檢驗結果
Table3.
Statistical test results of MSE value for different frequency bands during different tasks before and after stimulation
2.2 NIRS信號分析
為了分析運動想象期間的血流動力學差異，分別計算了施加tDCS前、后不同任務期間的含氧血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度以及總血紅蛋白濃度，并在驗證樣本的正態性后，對刺激前、后各血紅蛋白濃度進行了威爾科克森檢驗，檢驗結果如表4所示。由表4可以看出，刺激后受試者在執行左手想象任務期間刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）含氧血紅蛋白濃度均較刺激前降低且差異具有統計學意義，總血紅蛋白濃度刺激側腦區較刺激前升高且差異具有統計學意義，而對側腦區較刺激前降低且差異具有統計學意義；刺激后受試者在執行右手想象任務期間刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）總血紅蛋白濃度較刺激前升高且差異具有統計學意義。
表4
刺激前、后不同任務期間血紅蛋白濃度的統計學檢驗結果
Table4.
Statistical test results of haemoglobin concentration during different tasks before and after stimulation
刺激前，對照組受試者血紅蛋白濃度在運動想象任務中的平均變化情況如圖4所示。從圖4可以看出，兩種任務狀態下含氧血紅蛋白的相對濃度均在短暫的下降后上升。左手運動想象任務中，C3通道含氧血紅蛋白相對濃度的上升幅度高于對側腦區的C4通道；右手運動想象任務中，C4通道含氧血紅蛋白相對濃度的上升幅度高于C3通道。兩種任務狀態下脫氧血紅蛋白的相對濃度均無明顯變化。在左手想象任務期間， C4通道脫氧血紅蛋白相對濃度高于C3通道；在右手想象任務期間，C3通道脫氧血紅蛋白相對濃度高于C4通道。
圖4
tDCS刺激前不同任務態血紅蛋白濃度時序圖
Figure4.
Time series of haemoglobin concentrations in different task states before tDCS stimulation
受試者tDCS前、后運動想象任務期間血紅蛋白濃度的平均變化情況如圖5所示。左手想象任務期間，受試者tDCS后刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）含氧血紅蛋白濃度均低于其接受tDCS前，差異具有統計學意義；脫氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義。右手想象任務期間，受試者tDCS后刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）的含氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義；脫氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義。
圖5
tDCS刺激前、后不同任務態血紅蛋白濃度時序圖
Figure5.
Time series of haemoglobin concentrations in different task states before and after tDCS stimulation
受試者tDCS前、后運動想象任務期間，總血紅蛋白濃度的平均變化情況如圖6所示。兩種想象任務狀態期間，受試者在tDCS前相關腦區總血紅蛋白濃度均呈下降趨勢，tDCS后均呈上升趨勢。受試者在tDCS后，除左手想象任務期間對側腦區總血紅蛋白濃度較刺激前降低，差異具有統計學意義，其余狀態下的總血紅蛋白濃度較刺激前均升高，差異具有統計學意義。
圖6
tDCS刺激前、后不同任務態總血紅蛋白濃度時序圖
Figure6.
Time series of total haemoglobin concentrations in different task states before and after tDCS stimulation
3 討論
3.1 EEG信號分析結果討論
受試者在tDCS前執行運動想象任務時，MSE值增大，初級運動區的EEG信號復雜度升高。而受試者在tDCS后，任務期間的MSE值增加量高于接受刺激前執行任務時的MSE值增加量且差異具有統計學意義，表明施加tDCS能進一步提高任務期間相關腦區的的EEG信號復雜度。
tDCS前，受試者執行左手想象任務時刺激對側腦區MSE值增加量較刺激側更高，執行右手想象任務時刺激側腦區MSE值增加量較刺激對側更高，表明在tDCS前執行想象任務時出現了明顯的對側激活現象。
3.2 NIRS信號分析結果討論
已有很多研究表明，在任務狀態期間，相關腦區激活程度的提升會導致含氧血紅蛋白相對濃度的升高[29-30]。過往研究推測這種升高源于在任務期間，腦功能活動增強，對氧氣需求量的提升導致任務相關腦區的供氧量上升[31]。但是，腦功能活動的增強同時也加劇了氧氣的消耗。所以，任務期間腦區含氧血紅蛋白濃度的變化是供氧量提高與耗氧量增強的共同作用結果。由運動想象任務的對側腦區激活效應可知[32]，在左手想象任務期間，對側腦區激活程度要高于刺激側，相應的氧氣消耗量也是更多。
任務期間，相關腦區對氧氣需求量的升高導致了血液供氧能力的提升，使得任務相關腦區含氧血紅蛋白相對濃度大幅度上升。但是這種升高是有上限的，當其達到上限后，其對于同側和對側運動相關腦區含氧血紅蛋白濃度的提升作用應當大致相同，此時影響含氧血紅蛋白相對濃度變化的主要因素變為了腦區活動對氧氣的消耗程度。
tDCS后受試者執行運動想象任務時，其初級運動區含氧血紅蛋白相對濃度均有不同程度的下降，同時脫氧血紅蛋白的相對濃度也有所提升（如圖5所示），說明tDCS后受試者在任務執行中所消耗的氧氣量要超過接受tDCS前的任務氧氣消耗量，表明tDCS后受試者在任務執行時，相關腦區的激活程度要超過刺激前的狀態。另外，在兩種任務狀態下，刺激后受試者均表現出：刺激側腦區含氧血紅蛋白相對濃度降低程度要超過刺激對側腦區；脫氧血紅蛋白相對濃度升高程度要超過刺激對側腦區（如圖5所示）。
在任務期間，相關腦區的總血紅蛋白濃度反映著對應腦區的激活程度，其濃度越高意味著對應腦區的激活程度越高。圖6中，tDCS后受試者在任務期間均表現出初級運動區附近的總血紅蛋白濃度的升高且差異具有統計學意義，意味著刺激后這部分腦區的激活程度明顯提升。
4 結論
tDCS作為新興的神經調控技術，能調節皮質興奮性，進而影響運動等功能，然而其對于運動想象任務態是否具有積極作用仍未可知。本文通過采集受試者在接受tDCS前、后執行運動想象任務時的EEG信號和NIRS信號，計算不同任務期間的MSE值以及血紅蛋白濃度變化情況，發現tDCS能提高運動想象任務相關腦區的激活程度，對運動想象有積極作用。這一結果或可為tDCS聯合運動想象的臨床應用提供一定的參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：作者于洪麗參與了論文的選題、試驗設計、論文內容審核；作者么航參與了試驗設計、數據采集和分析、論文寫作；作者杜博愛參與了試驗設計、數據采集。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2022048）。
0 引言
運動想象（motor imagery，MI）是一種對運動動作想象的心理活動。在進行運動想象時，僅完成運動動作在大腦中的演繹，不具備實際動作所產生的肌肉活動[1-2]。運動想象對運動功能的提升，源于反復運動想象產生的記憶在大腦中激活運動活動相關的特定區域[3]。經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）作為一種新興的腦部刺激技術在近年來應用廣泛。通過放置在頭皮上的電極向大腦特定區域施加恒定、低強度的直流電來調節大腦皮層神經元的活動[4]，從而達到治療各種神經系統疾病的目的。tDCS在神經元水平上的基本作用機制是以微電流刺激的方式激活神經細胞，從而提高皮質功能區的興奮性，因而具有改變神經細胞靜息膜電位[5]、調節大腦皮質興奮性[6]、改善腦網絡連接[7]、改變大腦局部腦血流等功能[8]。
tDCS能對運動皮層產生作用，從而影響運動功能[9]，然而其對運動想象任務態是否具有積極作用仍不明確。Sawai等[10]發現受試者在接受tDCS后進行左手手腕背屈的運動想象神經反饋訓練時，較接受tDCS前，事件相關去同步化（event-related desynchronization，ERD）現象增加，視覺模擬量表（visual analog scale，VAS）的結果顯示運動想象的生動性明顯提高，表明tDCS能提升基于運動想象的神經反饋訓練的效果。Yang等[11]發現對初級運動皮層施加tDCS后，較刺激前，在運動想象執行階段，樣本熵和腦功能網絡結果的差異具有統計學意義，表明tDCS對大腦運動區復雜度和功能連通性有較大影響。Mozafaripour等[12]發現運動想象訓練結合tDCS刺激小腦，可以使具有高跌倒風險的中年婦女的平衡能力得到改善。然而，Metais等[13]研究卻發現tDCS并不能增強老年人手指敲擊序列運動想象訓練的效果，偽刺激組與真刺激組訓練后的成績差異無統計學意義。Hu等[14]發現tDCS聯合運動想象組的受試者在腦卒中后運動功能的改善效果上與單純運動想象組的受試者無組間差異，說明tDCS并不能進一步提升運動想象對腦卒中后運動功能改善的效果。由此可見，tDCS對運動想象是否存在作用、作用效果如何，仍有待進一步研究。
腦電圖（electroencephalogram，EEG）有著較高的時間分辨率[15]，成為大多數腦機接口（brain computer interface，BCI）系統的首選。近紅外光譜（near-infrared spectroscopy，NIRS）具有較高的空間分辨率且實驗要求相對較低[16]，可以與EEG信號在時間與空間上相互補充，二者結合能更全面地檢測大腦活動[17]。為了進一步研究tDCS對運動想象任務態是否具有積極作用，本文采集了16例年輕健康受試者在接受tDCS刺激前、后執行運動想象任務時的EEG信號和NIRS信號，利用多尺度樣本熵（multiscale sample entropy，MSE）算法對EEG信號復雜度進行分析，同時計算刺激前、后的含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的濃度變化，以探究tDCS對運動想象的作用效果。
1 試驗內容與處理方法
1.1 試驗對象
本研究隨機選取了16名健康受試者參與試驗，其中男性8名，女性8名，年齡范圍在22～27歲，平均年齡為24.7歲，皆為右利手，視力正常或已被矯正至正常。所有受試者無精神疾病、腦損傷、神經紊亂等個人或家族病史，身體狀況良好，無藥物或酒精成癮等。本研究方案通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審核（批文編號：HEBUThMEC2022048），所有試驗流程均在受試者充分理解和書面同意的情況下進行。
1.2 試驗參數設置
結合以往研究并參考文獻[18-19]，本文選擇tDCS陽極刺激，將電極陽極置于左側初級運動區，陰極置于對側眶上區域，具體位置如圖1所示。刺激電流強度為1.5 mA，淡入淡出時間為30 s，電極選用粘膠電極，大小為5 cm × 7 cm，刺激時長為20 min。
圖1
刺激位置、EEG通道及NIRS光極分布示意圖
Figure1.
Schematic of stimulation position, EEG channel and NIRS photopole distribution
1.3 試驗范式
每名受試者共需進行2次試驗，第1次試驗受試者僅進行運動想象任務，記作對照組；第2次試驗受試者在接受tDCS后進行運動想象任務，記作試驗組。2次試驗間隔為7 d。每次試驗由40個試次組成，其中包含順序隨機的20個左手運動想象試次和20個右手運動想象試次。運動想象試驗范式如圖2所示，單個試次步驟如下：
圖2
運動想象試驗流程
Figure2.
Experimental flow of motor imagery
（1）受試者盯著屏幕中央的白色“+”注視點，前2 s處于靜息狀態，不做任何想象活動。之后，屏幕上顯示左或右方向箭頭；
（2）受試者根據箭頭提示方向，進行左/右手拿起水杯的運動想象直至箭頭消失，受試者結束想象任務；
（3）休息15 s，使頭部血氧濃度恢復，此時受試者處于安靜狀態，不做任何思維想象，之后開始下一試次。
在受試者執行運動想象任務期間，同步采集EEG信號和NIRS信號。
1.4 EEG信號和NIRS信號雙模態數據采集
試驗采用64導EEG數據采集系統actiCHamp Plus（Brain products Inc., 德國）記錄EEG信號，該設備可以記錄64通道的EEG信號。使用的電極帽是雙模態電極帽，在10-20國際標準導聯系統的EEG數據采集帽上加入NIRS光極。試驗中以電極FCz作為參考電極，電極接地端（ground，GND）作為接地電極，EEG信號的采樣率為1 000 Hz，試驗過程中所有電極的阻抗均保持在10 kΩ以下。NIRS信號的記錄使用近紅外采集系統NIRSport 2.0（NIRx Inc., 德國）。該系統同時測量了760 nm和850 nm兩種不同波長的近紅外光在大腦中的衰減情況，并通過修正的朗伯-比爾定律將衰減情況換算為血紅蛋白濃度。為更好地探究tDCS對運動想象的作用效應，本文將NIRS的采集區域設置在了初級運動區，即10-20國際標準導聯系統的C3和C4通道附近。共使用8個光源和8個探測器采集信號，光極之間共構成20個信號通道，采樣頻率為7.812 5 Hz。為保證數據的一致性，本文對EEG信號也只進行了C3通道（刺激側）、C4通道（刺激對側）的分析。刺激位置、EEG通道及NIRS光極的分布如圖1所示。
1.5 雙模態數據預處理
研究中，采集到的原始EEG信號較為微弱且存在噪聲干擾，因此需要進行預處理。預處理主要包括：① 采用帶寬為0.5～45.0 Hz的漢明窗濾波器濾波。② 以雙側乳突電極TP9和TP10為基準設置重參考電極。③ 運用獨立成分分析（independent component analysis，ICA）來消除眼電偽跡。④ 以每次任務前2 s的靜息狀態為基線進行基線校正。⑤ 分頻，本文主要分析與運動想象相關的α（8～13 Hz）和β（13～30 Hz）節律[20]。
采集到的原始NIRS信號中混雜著很多生理噪聲，如心跳噪聲、呼吸噪聲、肌源性反應噪聲和神經源性噪聲等，因此也需要進行預處理。預處理主要包括：① 設置標記及刺激呈現時長。② 去除尖峰偽跡。③ 采用帶寬為0.01～0.20 Hz的濾波器濾波。④ 以每次任務前2 s的靜息狀態為基線進行基線校正。
1.6 MSE算法
熵，是衡量信號復雜程度的一個重要指標[21-22]。各種信息熵分析方法，如近似熵（approximate entropy，ApEn）[23]、樣本熵（sample entropy，SampEn）[24]，已經被用來分析時間序列的復雜性。與ApEn相比，SampEn在計算上不依賴數據的長度，且具有更好的一致性[25]。MSE將SampEn擴展到了多個時間尺度，解決了SampEn沒能很好地考慮到時間序列中可能存在不同時間尺度的問題，為時間尺度不確定的分析過程提供了額外的觀察視角[26-27]。在運動想象特征分析中，可通過計算EEG信號不同尺度下的熵值來反映不同狀態（靜息狀態、左手運動想象狀態、右手運動想象狀態）之間的非線性特征[28]。
2 結果及分析
2.1 EEG信號分析
為了分析運動想象期間不同腦區的復雜度差異，分別計算了受試者α頻段和β頻段刺激側（C3通道）及其對側（C4通道）腦區在tDCS前、后執行不同任務時EEG的MSE值，計算結果分別如表1、表2所示。由表1和表2可以看出，EEG復雜度在tDCS刺激后較刺激前呈現上升趨勢。
表1
α頻段tDCS刺激前、后不同任務態MSE值
Table1.
MSE value in α band for different task states before and after tDCS
表2
β頻段tDCS刺激前、后不同任務態MSE值
Table2.
MSE value in β band for different task states before and after tDCS
如圖3所示，顯示了受試者平均MSE值在tDCS前、后執行不同運動想象任務期間變化情況，其中縱軸表示任務期間的MSE值與任務前靜息狀態MSE值的差值，對照組和試驗組即分別為tDCS前、后任務期間較靜息狀態的MSE值變化量。從圖3可以看出，在tDCS前，受試者在執行運動想象任務時，刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）的α和β頻段MSE值均有升高，且執行左手想象任務時對側腦區MSE值增加量高于刺激側腦區MSE值增加量，執行右手想象任務時刺激側腦區MSE值增加量高于對側腦區MSE值增加量。在tDCS后，受試者在執行兩種運動想象任務時均表現為刺激側腦區MSE值增加量高于對側腦區MSE值增加量。
圖3
不同頻段運動想象任務態平均MSE值變化量
Figure3.
Average MSE changes during motor imagery tasks in different frequency bands
經過柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫（Kolmogorov-Smirnov）檢驗驗證樣本的正態性后，本文采用威爾科克森（Wilcoxon）檢驗來驗證tDCS對不同任務期間MSE值影響的差異是否具有統計學意義，計算結果如表3所示。由表3中結果可知，受試者經tDCS刺激后執行運動想象任務時，α頻段的右手任務期間以及β頻段的兩種任務期間，刺激側及其對側的MSE值增加量均高于刺激之前。
表3
不同頻段刺激前、后不同任務期間的MSE值統計學檢驗結果
Table3.
Statistical test results of MSE value for different frequency bands during different tasks before and after stimulation
2.2 NIRS信號分析
為了分析運動想象期間的血流動力學差異，分別計算了施加tDCS前、后不同任務期間的含氧血紅蛋白濃度、脫氧血紅蛋白濃度以及總血紅蛋白濃度，并在驗證樣本的正態性后，對刺激前、后各血紅蛋白濃度進行了威爾科克森檢驗，檢驗結果如表4所示。由表4可以看出，刺激后受試者在執行左手想象任務期間刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）含氧血紅蛋白濃度均較刺激前降低且差異具有統計學意義，總血紅蛋白濃度刺激側腦區較刺激前升高且差異具有統計學意義，而對側腦區較刺激前降低且差異具有統計學意義；刺激后受試者在執行右手想象任務期間刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）總血紅蛋白濃度較刺激前升高且差異具有統計學意義。
表4
刺激前、后不同任務期間血紅蛋白濃度的統計學檢驗結果
Table4.
Statistical test results of haemoglobin concentration during different tasks before and after stimulation
刺激前，對照組受試者血紅蛋白濃度在運動想象任務中的平均變化情況如圖4所示。從圖4可以看出，兩種任務狀態下含氧血紅蛋白的相對濃度均在短暫的下降后上升。左手運動想象任務中，C3通道含氧血紅蛋白相對濃度的上升幅度高于對側腦區的C4通道；右手運動想象任務中，C4通道含氧血紅蛋白相對濃度的上升幅度高于C3通道。兩種任務狀態下脫氧血紅蛋白的相對濃度均無明顯變化。在左手想象任務期間， C4通道脫氧血紅蛋白相對濃度高于C3通道；在右手想象任務期間，C3通道脫氧血紅蛋白相對濃度高于C4通道。
圖4
tDCS刺激前不同任務態血紅蛋白濃度時序圖
Figure4.
Time series of haemoglobin concentrations in different task states before tDCS stimulation
受試者tDCS前、后運動想象任務期間血紅蛋白濃度的平均變化情況如圖5所示。左手想象任務期間，受試者tDCS后刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）含氧血紅蛋白濃度均低于其接受tDCS前，差異具有統計學意義；脫氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義。右手想象任務期間，受試者tDCS后刺激側（C3通道）及其對側腦區（C4通道）的含氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義；脫氧血紅蛋白濃度差異無統計學意義。
圖5
tDCS刺激前、后不同任務態血紅蛋白濃度時序圖
Figure5.
Time series of haemoglobin concentrations in different task states before and after tDCS stimulation
受試者tDCS前、后運動想象任務期間，總血紅蛋白濃度的平均變化情況如圖6所示。兩種想象任務狀態期間，受試者在tDCS前相關腦區總血紅蛋白濃度均呈下降趨勢，tDCS后均呈上升趨勢。受試者在tDCS后，除左手想象任務期間對側腦區總血紅蛋白濃度較刺激前降低，差異具有統計學意義，其余狀態下的總血紅蛋白濃度較刺激前均升高，差異具有統計學意義。
圖6
tDCS刺激前、后不同任務態總血紅蛋白濃度時序圖
Figure6.
Time series of total haemoglobin concentrations in different task states before and after tDCS stimulation
3 討論
3.1 EEG信號分析結果討論
受試者在tDCS前執行運動想象任務時，MSE值增大，初級運動區的EEG信號復雜度升高。而受試者在tDCS后，任務期間的MSE值增加量高于接受刺激前執行任務時的MSE值增加量且差異具有統計學意義，表明施加tDCS能進一步提高任務期間相關腦區的的EEG信號復雜度。
tDCS前，受試者執行左手想象任務時刺激對側腦區MSE值增加量較刺激側更高，執行右手想象任務時刺激側腦區MSE值增加量較刺激對側更高，表明在tDCS前執行想象任務時出現了明顯的對側激活現象。
3.2 NIRS信號分析結果討論
已有很多研究表明，在任務狀態期間，相關腦區激活程度的提升會導致含氧血紅蛋白相對濃度的升高[29-30]。過往研究推測這種升高源于在任務期間，腦功能活動增強，對氧氣需求量的提升導致任務相關腦區的供氧量上升[31]。但是，腦功能活動的增強同時也加劇了氧氣的消耗。所以，任務期間腦區含氧血紅蛋白濃度的變化是供氧量提高與耗氧量增強的共同作用結果。由運動想象任務的對側腦區激活效應可知[32]，在左手想象任務期間，對側腦區激活程度要高于刺激側，相應的氧氣消耗量也是更多。
任務期間，相關腦區對氧氣需求量的升高導致了血液供氧能力的提升，使得任務相關腦區含氧血紅蛋白相對濃度大幅度上升。但是這種升高是有上限的，當其達到上限后，其對于同側和對側運動相關腦區含氧血紅蛋白濃度的提升作用應當大致相同，此時影響含氧血紅蛋白相對濃度變化的主要因素變為了腦區活動對氧氣的消耗程度。
tDCS后受試者執行運動想象任務時，其初級運動區含氧血紅蛋白相對濃度均有不同程度的下降，同時脫氧血紅蛋白的相對濃度也有所提升（如圖5所示），說明tDCS后受試者在任務執行中所消耗的氧氣量要超過接受tDCS前的任務氧氣消耗量，表明tDCS后受試者在任務執行時，相關腦區的激活程度要超過刺激前的狀態。另外，在兩種任務狀態下，刺激后受試者均表現出：刺激側腦區含氧血紅蛋白相對濃度降低程度要超過刺激對側腦區；脫氧血紅蛋白相對濃度升高程度要超過刺激對側腦區（如圖5所示）。
在任務期間，相關腦區的總血紅蛋白濃度反映著對應腦區的激活程度，其濃度越高意味著對應腦區的激活程度越高。圖6中，tDCS后受試者在任務期間均表現出初級運動區附近的總血紅蛋白濃度的升高且差異具有統計學意義，意味著刺激后這部分腦區的激活程度明顯提升。
4 結論
tDCS作為新興的神經調控技術，能調節皮質興奮性，進而影響運動等功能，然而其對于運動想象任務態是否具有積極作用仍未可知。本文通過采集受試者在接受tDCS前、后執行運動想象任務時的EEG信號和NIRS信號，計算不同任務期間的MSE值以及血紅蛋白濃度變化情況，發現tDCS能提高運動想象任務相關腦區的激活程度，對運動想象有積極作用。這一結果或可為tDCS聯合運動想象的臨床應用提供一定的參考。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：作者于洪麗參與了論文的選題、試驗設計、論文內容審核；作者么航參與了試驗設計、數據采集和分析、論文寫作；作者杜博愛參與了試驗設計、數據采集。
倫理聲明：本研究通過了河北工業大學生物醫學倫理委員會的審批（批文編號：HEBUThMEC2022048）。
