深度解讀 | 腦電設(shè)備的工作原理
腦電圖是大腦活動(dòng)時(shí)大量神經(jīng)元同步發(fā)生的突觸后電位經(jīng)總和后形成，并由放置在頭皮表面或植入顱內(nèi)的電極采集記錄的圖譜，是使用電生理指標(biāo)記錄大腦活動(dòng)的方法。但腦電信號(hào)幅度弱、頻率低，容易受環(huán)境及其他內(nèi)源性電生理信號(hào)干擾，那么理解腦電設(shè)備的工作原理將有利于腦電數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高效地采集與分析。
01 腦電設(shè)備有哪些組成部分
為了獲得高質(zhì)量的腦電數(shù)據(jù)，腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要滿(mǎn)足一定的條件。通常，一個(gè)完整的腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該由一下幾部分組成：電極、帶濾波器的放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital）和數(shù)據(jù)記錄電腦。具體來(lái)說(shuō)，頭皮表面電極記錄的電壓信號(hào)通過(guò)放大器轉(zhuǎn)換成適當(dāng)電壓范圍內(nèi)的信號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從模擬電壓格式轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，最后通過(guò)記錄電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
圖1:腦電記錄系統(tǒng)
02腦電采集電極分類(lèi)
腦電采集電極為處理設(shè)備與腦之間的傳感器，選擇或設(shè)計(jì)出適用于采集腦電信號(hào)的電極材料、保證采集腦電信號(hào)的質(zhì)量是 BCI 技術(shù)獲得良好綜合性能的重要前提。
圖2：腦電采集電極分類(lèi)
濕電極為腦電采集的傳統(tǒng)電極類(lèi)型，一般采用Ag-AgCl 做電極材料。進(jìn)行腦電信號(hào)采集時(shí)，為了克服電極與頭皮之間的阻抗，需在電極與頭皮間涂抹液態(tài)或糊狀的導(dǎo)電介質(zhì)( 導(dǎo)電膏或?qū)щ娨?。濕電極作為腦電采集電極的“金標(biāo)準(zhǔn)”，有阻抗低、穩(wěn)定、信噪比高和信號(hào)可靠的優(yōu)勢(shì)。但是由于需要涂抹導(dǎo)電膏，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程復(fù)雜，濕電極存在一些缺點(diǎn)，例如: 電極空間分辨率不高、被 測(cè)者會(huì)有不適感、長(zhǎng)時(shí)間采集導(dǎo)電膏會(huì)變干從而影響信號(hào)采集的精準(zhǔn)度等等。
干電極由于不需要涂抹液體導(dǎo)電膠，具有使用方便、使用者感覺(jué)舒適、易于便攜式腦電設(shè)備的應(yīng) 用等顯著優(yōu)勢(shì)。但干電極的剛性材料無(wú)法緊密接觸頭部，尤其是有發(fā)區(qū)域，信噪比不夠，容易對(duì)皮膚產(chǎn)生損傷，且阻抗過(guò)大不利于采集信號(hào)。
半干電極( 準(zhǔn)干電極)針對(duì)濕電極與干電極的缺陷，半干電極的原理如下: 在壓力施加下，電極腔內(nèi)的電解質(zhì)微量釋放到頭皮表面，建立相對(duì)穩(wěn)定的電—頭皮界面?？删C合傳統(tǒng)電極與干電極的特點(diǎn)，既兼顧了降低阻抗所需要的電解質(zhì)層，又避免了干電極對(duì)皮膚的創(chuàng)傷。
03腦電采集電極分布
1958年，國(guó)際腦電圖學(xué)與臨床神經(jīng)生理學(xué)聯(lián)合會(huì)（international federation in electroencephalography and clinical neurophysiology）制定了腦電圖電極置位置標(biāo)準(zhǔn)方案，隨后美國(guó)腦電圖學(xué)會(huì)（American electroencephalographic society）經(jīng)過(guò)不斷修訂，形成了現(xiàn)在被廣泛使用的國(guó)際10-20電極排布系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，首先在頭皮表面確定兩條線(xiàn)，第一條為鼻根（Nasion）至枕外隆凸（Inion）的前后連線(xiàn)，第二條為左右耳前凹之間的左右連線(xiàn)，這兩條連線(xiàn)的交點(diǎn)處于頭頂處，即為電極Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后連線(xiàn)的長(zhǎng)度設(shè)為100%，沿著鼻根至枕外隆凸的前后連線(xiàn)，從鼻根向后距離為10%的位置定為Fpz電極位置，從Fpz向后每隔20%的距離定義一個(gè)電極位置，從前向后依次為Fz、Cz、Pz和Oz，其中電極Oz距離枕外隆凸的長(zhǎng)度為10%；左右耳前凹之間的左右連線(xiàn)長(zhǎng)度同樣設(shè)為100%，沿著這條左右連線(xiàn)，從左側(cè)耳前凹向右距離為10%的位置定為T(mén)3電極位置，從T3向右每隔20%的距離設(shè)置一個(gè)電極，從左到右依次為C3、Cz、C4和T4，其中T4電極距離右側(cè)耳前凹的長(zhǎng)度為10%；電極有特定的字母和數(shù)字進(jìn)行標(biāo)記，其中
T為顳葉（Temporal）
P為頂葉（Parietal）
O為枕葉（Occipital）
C為中央?yún)^(qū)（Central，大腦沒(méi)有這個(gè)區(qū)，是為了方便識(shí)別更為典型的腦電活動(dòng)，如運(yùn)動(dòng)相關(guān)的通常在C3和C4）
“z”表示放置在中線(xiàn)上的電極，偶數(shù)表示大腦右側(cè)的電極，奇數(shù)表示放置在大腦左側(cè)的電極。
圖3：國(guó)際10-20系統(tǒng)
10-10系統(tǒng)可以看成是10-20系統(tǒng)的擴(kuò)展，在10-20的基礎(chǔ)之上，在10%的位置上進(jìn)行電極的擴(kuò)展，便得到10-10系統(tǒng)。
圖4：國(guó)際10-10系統(tǒng)
04 放大器記錄的是什么信號(hào)
一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)在腦電數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中的不同的作用，電極可以分為三種類(lèi)型：活動(dòng)電極、參考電極和接地電極。每個(gè)單獨(dú)的腦電電極的電壓波形圖可以被看作活動(dòng)電極（A）和參考電極（R）之間電勢(shì)差隨時(shí)間的變化。從理論上來(lái)說(shuō)，參考電極應(yīng)設(shè)置在較遠(yuǎn)的位置，絕地電勢(shì)為零。因此，A和R之間的電勢(shì)差在很大程度上可以反映A附近的電活動(dòng)。然而，這種完美的參考電極并不存在，事實(shí)上在大多數(shù)情況下參考位點(diǎn)不是電中性的。因此，活動(dòng)電極和參考電極之間的電勢(shì)差反映了兩個(gè)位點(diǎn)的電活動(dòng)。接地電極主要用于降低接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲。大多數(shù)腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含多個(gè)活動(dòng)電極、一或兩個(gè)參考電極和一個(gè)接地電極。
腦電采集到的信號(hào)為電壓值，是從多個(gè)電極獲取的，并不存在單點(diǎn)的電壓值。比如Fz點(diǎn)的腦電信號(hào)反應(yīng)的是Fz點(diǎn)和接地點(diǎn)之間的電勢(shì)差，電壓信號(hào)實(shí)際為：
Fz-GND
放大器則記錄了Fz和接地電極之間的電位以及參考電極和接地電極GND之間的電位 。在此基礎(chǔ)上，放大器再計(jì)算Fz和參考電極之間的差值為：
(Fz-GND)-(REF-GND)
因此，放大器的輸出是記錄部位和參考電極之間的電位，抵消了接地電極和它包含的電噪音。
圖5：不同電極類(lèi)型分布
同時(shí)放大器有硬件的內(nèi)部都裝有濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)會(huì)衰減信號(hào)的低頻和高頻部分。所以選擇放大器的寬帶越寬，即放大器進(jìn)行測(cè)量的有效頻帶越寬，則所采集的范圍信號(hào)越多，但是所產(chǎn)生的噪音信號(hào)就越多。
05 如何選擇合適的腦電設(shè)備
1.電極類(lèi)型
電極類(lèi)型的選擇取決于多種因素，包括所需的信號(hào)質(zhì)量、時(shí)間限制、是否具備訓(xùn)練有素的技術(shù)人員，以及腦電系統(tǒng)的便攜性等。傳統(tǒng)的濕電極由于其良好的信噪比和較高的重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)成為臨床和科研腦電測(cè)量的主要選擇和標(biāo)準(zhǔn)。但其操作不便、舒適度差、持續(xù)操作時(shí)間短的缺點(diǎn)也限制了其在穿戴式日常動(dòng)態(tài)腦電監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。
當(dāng)獲取的腦電信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要時(shí)，最佳選擇是作為金標(biāo)準(zhǔn)的濕電極；當(dāng)準(zhǔn)備和清理時(shí)間至關(guān)重要時(shí)，并且沒(méi)有訓(xùn)練有素的技術(shù)人員可測(cè)試時(shí)，干電極和半干電極是不錯(cuò)的選擇；此外，由于半干電極相較于濕電極更舒適，相較于干電極更不易出現(xiàn)偽影，在許多情況下，半干式電極是首選。與此同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展完善，許多腦電系統(tǒng)都可配置多種電極，方便不同場(chǎng)景使用。
2.電極數(shù)量
多數(shù)情況下，推薦32或64個(gè)活動(dòng)電極，但研究高密度腦電電極以及有特殊需求的算法(如空間拉普拉斯變換)的研究除外。
3.電極排布
推薦國(guó)際10-20系統(tǒng)。
4.參考電極
在采集腦電數(shù)據(jù)的過(guò)程中，只要電路連接良好，任何位置的電極都可以被作為參考電極，因?yàn)檫@樣研究者總是可以在離線(xiàn)處理數(shù)據(jù)的時(shí)候重新參考。對(duì)于未來(lái)展示腦電數(shù)據(jù)時(shí)的參考電極，我們建議選擇同研究領(lǐng)域研究者普遍認(rèn)可的電極。
5.放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器
對(duì)于放大器，推薦高輸人阻抗(至少為100MΩ)和高共模抑制比(至少為100dB)。 對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，推薦高電壓分辨率(超過(guò)20位)。
6.模擬濾波器
如果模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率足夠高，建議在采集腦電數(shù)據(jù)時(shí)不要使用模擬濾波器，因?yàn)榭梢杂酶玫臄?shù)字濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線(xiàn)濾波。如果模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率不夠高，建議在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候使用高通濾波器，其半幅截止頻率在0.01~0.1Hz為好。
7.采樣率
在大多數(shù)情況下，采樣率在250~1000Hz就足夠了，腦電不需要記錄超過(guò)1000Hz的頻率。
參考文獻(xiàn)
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邁爾諾醫(yī)療推出的一款強(qiáng)大的多模式 EEG 應(yīng)用設(shè)備。它可以同時(shí)測(cè)量多達(dá) 256 個(gè)通道的 EEG 以及其他參數(shù)，如 sEMG、HRV、溫度或皮膚電導(dǎo) (GSR)。
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