导语

在这篇博文中，我们展示了使用artinis Brite近红外脑功能成像设备和TMSi APEX脑电设备，如何实现高质量、低干扰的EEG记录。

将功能性近红外光谱（fNIRS）和脑电图（EEG）结合使用，在神经科学领域具有诸多优势。两种技术相辅相成：fNIRS反映大脑的血流动力学响应，EEG则测量神经元的电活动，二者结合能够提供更全面的神经活动信息。为了便于搭建多模态实验平台，像我们这样的集成系统可以同时测量两种信号。通过使用EEG-fNIRS组合探头（holder），研究人员可以将电极和光极放置在同一个位置，从而提高传感器布局的灵活性。虽然这种方法优化了传感器的空间分布，允许布置更多的电极和光极，但近距离放置也会增加干扰（也称为串扰）的风险，这种干扰会体现在EEG记录中。

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串扰带来的挑战

研究表明，fNIRS光极工作时产生的光电效应及电磁干扰（光源发射与驱动电路所致）会给EEG记录引入伪迹[1-3]。通常可以通过将EEG和fNIRS传感器稍微隔开一段距离来避免这个问题，但有些实验方案要求它们必须非常靠近。在这种情况下，EEG数据可能会因串扰的特性而失真，尤其是当干扰出现在感兴趣的频带内时。不过，正如我们将在本文中讨论的，使用我们集成的fNIRS-EEG方案，即使在组合探头中，也能实现高质量、无干扰的EEG记录。

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文献中的证据

近期，Rogers等人[4]（波士顿大学David Boas教授团队与柏林工业大学合作）开展的一项研究证明：即使EEG电极和fNIRS光极通过共用探头紧密放置在一起，也能获得没有明显串扰的高质量EEG记录（见图1）。在该工作中，使用有源EEG电极进行记录，平均阻抗为4±1.6 kΩ，每个epoch持续10秒，fNIRS发射器在“开”和“关”状态之间切换。对记录的频谱分析显示，在光极激发频率17.4 Hz处未观察到明显的峰值。这些结果表明，使用共用或组合探头在同一位置同时测量EEG和fNIRS是可行的，且不会损害EEG信号的质量。

图1：改编自Rogers等人[4]的图3，展示了串扰分析的结果。图中显示了放置在组合探头中的电极（按10-05系统位置标注）以及所有非共位电极（标注为NC）的平均频谱。灰色阴影区域标示了所用fNIRS系统的采样频率（17.4 Hz）。左图（c）是fNIRS系统处于采样状态下的结果，右图（d）是fNIRS系统关闭时的EEG记录。左图阴影区没有出现峰值，且两图相似，表明串扰可忽略不计[4]。

03

我们的集成方案

在Artinis，我们过去八年多来一直致力于开发创新方案，以促进EEG与fNIRS技术的融合。我们的全集成fNIRS-EEG套装支持将Brite等设备与可穿戴EEG系统（包括我们的高品质EEG放大器APEX和SAGA）结合使用。针对这种组合，我们提供了一款头帽，可根据研究人员的需求容纳不同类型的光极/电极探头。我们提供的探头包括（见图2，从左到右）：

• 独立的光极探头
• 独立的针式电极探头
• 独立的环形电极探头
• 光极与针式电极的组合探头

图注：依次为Brite光极探头Tx/Rx、独立针电极、独立环形电极、Brite+SAGA fNIRS-EEG组合探头

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在我们的集成系统中测试EEG–fNIRS串扰

我们进行了一系列测试，评估不同探头组合下两种测量模式之间的潜在串扰。特别考虑了两种情形：（1）发射器附近放置独立探头；（2）在发射器或接收器上使用带有针式电极的组合探头。EEG记录使用APEX放大器，在受试者闭眼状态下，交替切换Brite的状态（“开”：光极激发采样；“关”：不采样）。每种Brite状态记录三个30秒的区块。功率谱密度采用与Rogers等人相同的方法计算：使用Welch方法，窗长10秒，对原始数据不作任何预处理。Brite和APEX的测试结果如下所示（图3、图4）。首先展示独立探头下“Brite开”和“Brite关”两种条件下的功率谱。阻抗越低，光极与EEG之间的串扰越小。因此，在测试组合探头时，我们将EEG电极的阻抗保持在5 kΩ以下，这与常规研究建议以及Rogers等人[4,5]的结果一致。串扰的存在通过定性比较两种条件下的功率谱，以及观察Brite采样频率附近是否出现峰值来判断。对于使用独立探头的设置，即使电极与光极的距离近至30毫米（见图2），EEG信号中也没有观察到干扰。如下方功率谱密度图所示，无论使用环形电极还是针式电极的独立探头，在Brite的激发频率37 Hz处都没有出现可观测的峰值。这意味着使用这两种独立电极探头都可以实现无干扰测量。

图3：放置在Brite发射器附近的环形电极和针式电极记录的EEG信号功率谱密度。左列为Brite关闭采样时的频谱，右列为Brite以37 Hz采样频率活跃记录时的频谱。灰色竖线标示该频率。在较低频率处可以看到其他生理性峰值，包括约10 Hz的alpha活动峰。值得注意的是，在任何条件下37 Hz处都没有明显峰值，说明Brite对记录的EEG信号几乎没有或完全没有干扰。对于组合探头，由于EEG和NIRS传感器靠得更近，干扰的可能性更高。然而，使用我们的屏蔽EEG线缆和Brite fNIRS光极，仍然没有发现干扰证据，如下方功率谱所示：在37 Hz处没有出现峰值（见图4）。

图4：与Brite光极放置在同一个组合探头中的针式电极记录的EEG信号功率谱密度。第一行是与发射器共位的电极数据，第二行是与接收器共位的电极数据。与上图类似，在Brite的37 Hz激发频率（灰色竖线）处没有观察到明显峰值。典型的生理活动（如10 Hz的alpha节律）存在。这些结果进一步表明，在低阻抗条件下，即使EEG电极与fNIRS光极集成在同一个探头中，Brite对EEG的干扰也可以忽略不计。

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结论

综上所述，与Rogers等人的结果一致，我们自己的结果显示：在我们提供的所有EEG与Brite集成配置方案中，都可以实现无干扰的EEG测量。值得注意的是，我们使用的是无源电极，而Rogers等人研究中用的是有源电极。除了多种探头选项外，我们的系统还提供了其他增强信号质量的功能，例如有源屏蔽线缆，可以降低对电磁干扰的敏感性。此外，Brite支持50 Hz或更高的高采样率，能有效避免与常见EEG频带重叠。

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建议

在使用我们的集成套装时，即使EEG电极与fNIRS光极使用独立探头、间距近至30毫米，只要电极阻抗控制在8 kΩ以内，依然可以获得高质量的EEG记录。如果需要在同一位置重叠放置光极和电极，我们建议使用组合探头，并保持较低的电极阻抗（低于3 kΩ），以确保最佳信号质量。如果无法实现低阻抗，可将Brite系统设置为较高的采样频率，这样可以防止任何潜在干扰影响到常见EEG频带范围，并允许在后期处理中滤除可能的串扰。

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