同步头皮脑电图（EEG）、肌电图（EMG）与全身分段惯性记录用于多模态神经解码

以下实验的总体目标是扩展移动式脑成像框架的概念，以实现对人类在多种运动任务中脑-体动态关系的研究。首先，在人类受试者身上放置脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和运动捕捉传感器，作为第二步。三个数据采集系统通过定制软件和一个按钮触发装置实现同步，从而提供具有时间锁定的脑电图（EEG）、肌电图（EMG）和运动捕捉数据集。

接下来，受试者将在四种不同环境中完成九项特定的运动任务。为了捕捉多种运动过程中的脑-体动态，实验结果展示了通过脑电图（EEG）测量的运动任务期间的脑活动。该方法有助于回答神经假体和脑机接口领域中的关键科学问题。

例如，是否有可能从头皮脑电图（EEG）中提取关于步态动力学或表面肌电图（EMG）模式的有用信息？与现有方法相比，该技术的主要优势在于，我们可以利用移动设备无线采集脑电-肌电（E-E-G-E-M-G）和运动捕捉数据，从而能够探索比传统数据采集技术更广泛的运动任务和环境。这些技术的应用意义还延伸至运动障碍和康复医学领域，因为这些方案本质上可揭示大脑活动的变化以及身体的适应机制。

今天，我的研究生将演示传感器的放置方法，或者JI osir将展示如何在受试者身上放置肌电图（EMG）传感器。凯文·内森（Kevin Nathan）将在约翰（John）的协助下，开始在受试者的头皮上放置脑电图（EEG）传感器。在开始本实验方案之前，首先记录受试者的身高、体重和年龄。

然后调节跑步机速度，使其与受试者的偏好步行速度相匹配。接着，使用记号笔测量鼻根点（nasion）与枕外隆突点（inion）之间的距离。将该距离的10%处标记为定位帽对齐的参考点，并将该距离的中点标记为头部的顶点（vertex）。

现在将脑电帽戴在受试者头上，并与参考标志点对齐。将 FP1 和 FP2 电极之间的中点与 10% 距离标记对齐，并将 CZ 电极与标记的头顶点对齐。通过在下巴下方系带固定脑电帽。

接下来，从接地电极和参考电极开始，使用小型注射器向每个电极注入电解质凝胶，直至每个电极的阻抗低于25千欧姆，此时电极上的LED指示灯将变为绿色。最后，将电极连接至无线发射器，用于数据采集系统。随后，开始准备表面肌电图记录：首先剃除皮肤表面的毛发，然后使用异丙醇酒精片清洁皮肤。

然后，在每条腿的胫骨前肌、股直肌、股外侧肌、股二头肌、股四头肌和腓肠肌八个预处理部位各放置一个电极。最后，在左手或右手腕部放置肌电图接地电极，并将所有肌电图电极连接至肌电数据记录仪。以准备进行运动捕捉。

首先使用尼龙搭扣带或双面胶带将标记传感器放置于受试者身上。按照此处列出的位置安装传感器。然后让受试者踏上跑步机，并在数据采集前如图所示佩戴安全背带。

检查脑电图（EEG）和肌电图（EMG）信号，以确认电极放置、电极连接及数据传输是否正确。然后通过运行C++控制台应用程序开始数据采集。按下手动触发按钮以启动EMG记录，并发出声音提示——一声蜂鸣。

开始实验时，指导受试者保持静止站立状态30秒。30秒后，按下触发按钮以启动行走。跑步机应缓慢加速至受试者预先设定的速度。

让受试者步行五分钟。五分钟后，按下触发按钮，通过缓慢停止跑步机来启动由走动到站立的转换。停止后，受试者应保持站立状态30秒。

现在，按下队列按钮以停止数据采集试验并保存数据。在三种视觉条件下重复该实验，包括让受试者前方一定距离处注视一个黑色目标，以实时观察视频监视器上的腿部运动，并避免在跑步机上踩到对角线。

接下来，进入行走实验区域。应按照图示放置五组红外接近传感器、圆锥体和电视屏幕，以搭建行走实验区域。在此，将受试者置于实验区域行走回路的起点，并按照之前所述方法开始数据采集。

现在，按下触发按钮以启动行走实验。在发出触发信号的同时，第一个方向箭头将显示在受试者对面的屏幕上。

如果观察到向右或向左的箭头，受试者应从入口处的锥形标志退出，向该方向转90度，完成回路后返回入口处的锥形标志。如果观察到向上的箭头，受试者应从入口处的锥形标志继续直行。当受试者行进至距离红外传感器约两米处时，应手动触发并给出方向箭头。

受试者应穿过第一组红外传感器，随后完成相应的90度转弯以走完一圈。在步行返回入口标志锥时，实验人员应推着装有主机PC的带轮推车，跟随受试者后方约三至五米处。为确保无线信号质量，受试者在到达入口标志锥时应继续行走。完成单圈后，应以随机顺序重复该流程，直至每个起始箭头方向均完成三圈为止。

完成规定数量的循环后，按下手动触发按钮，提示受试者转为站立状态。受试者应静立30秒。随后按主机电脑上的提示按钮，结束数据采集。

在受试者身后放置一把椅子，然后开始数据采集。数据采集开始时，受试者应安静站立15秒。15秒后，按下手动触发按钮。

听到提示音后，受试者应从站立姿势转换为坐姿，保持坐位姿势直至下一个音频提示。等待一个随机间隔，时间为5至15秒。然后按下手动触发器，发出从坐到站转换的提示信号。

让受试者保持站立姿势，直至听到下一个音频提示。重复此步骤直至完成10次。完成从站立到坐下的动作，以及从坐姿到站立的重复动作。

操作完成后，受试者应静立15秒。随后按下提示按钮结束数据采集。接下来，重复进行自主发起的由站姿到坐姿以及由坐姿到站姿的转换实验流程。

此次不要向受试者提供触发转换的信号，而是让受试者自主发起转移，直至每种动作完成10次。进行走廊行走测试时，将受试者和数据采集车置于一段长度为八分之一英里（约201米）的直线走廊中央位置。数据采集的开始方式与跑步机行走实验相同。

在最初的第32次静息期结束后，向受试者发出手动触发信号或蜂鸣提示，以启动行走。要求受试者持续行走五分钟。当受试者行进至距离走廊末端10米范围内时，应自行启动U形转弯，并继续朝相反方向行走。

五分钟后，按下手动触发按钮以停止行走。受试者应静立30秒，目视正前方。然后结束数据采集。

接下来，开始第二次走廊实验。在随机行走20至40秒后，给出手动触发信号和音频提示，让受试者停止行走。随后，受试者应保持站立状态一段短暂的随机时间，持续5至15秒。

然后按下手动触发按钮，使受试者恢复行走。重复上述步骤，直至完成10次启停循环，随后结束实验。此处显示的是 treadmill walking 10秒期间的数据采集代表性结果。

上方图显示了来自 10-20 国际导联系统的 64 导原始脑电图（EEG）数据，其中包含导联名称；中间图显示了来自 11 个标记传感器的垂直方向加速度；下方图显示了 8 导原始肌电图（EMG）数据。该图展示了一次在实验场地中行走循环的代表性数据。

在一个协议中，垂直的黑色条形表示触发信号。第一个触发信号来自按下呈现右箭头的按钮。最后四个触发信号来自红外传感器，即受试者在环路中移动时经过的红外传感器一至四。此处展示了从站立到坐下的转换以及从坐到站立的转换的样本数据。

脑电加速和肌电图数据的呈现方式与第一张图相同。垂直条形标记了分别用于启动站立和坐下的手动触发信号。最后，本图展示了在走廊中从站立到行走以及从行走过渡到站立的示例数据。

行走任务。垂直条表示分别用于开始和停止行走的手动触发信号和音频提示。需要注意的是，脑电（EEG）传感器和肌电（EMG）传感器对运动伪迹较为敏感，因此应确保传感器牢固且安全地固定在受试者身上。

通过此步骤，您可以应用其他技术，如独立成分分析或线性回归，以从伪迹中分离出皮层电活动信号，从而能够从脑电图数据中提取肢体运动学参数或肌电图特征。该技术将有助于神经接口研究领域解答大脑如何与运动及运动意图相关联的问题，并提供一种从头皮脑电图中提取步态信息的方法。