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EEG脑电波采集原理及方法

脑电图

脑电图(electroencephalogramEEG)是通过精密的仪器从头皮上将脑补的大脑皮层的自发性生物电位加以放大记录而获得的图形,是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。这种电活动是以电位作为纵轴,时间为横轴,从而记录下来的电位与时间相互关系的平面图。脑电波的频率(周期)、波幅和相位构成了脑电图的基本特征。

 

脑电波图

脑电图的基本特征

 

周期和频率的关系

脑电的周期是指一个波从离开基线到再次返回基线所需要的时间,或者说是一个波峰到波峰或波谷到波谷的时间跨度,单位为毫秒(ms)。频率是指单位时间内同构的波峰或波谷的数目,也就是单位时间内的周期数。频率和周期互为倒数的关系。

波幅

波峰到波谷之间的垂直距离就是波幅,但是脑电的数据会出现基线动荡的情况,因此,在测量脑电的波幅时,是将相邻两个波谷进行直接连线,则这两个波谷之间的波峰与波谷连接线中点的垂直距离即为此波的波幅。

脑电图周期、基线、波幅

位相

一个随时间序列展开的波,在基线上下所处的瞬间位置即为该波的位相,其代表着波的极性及其时间于波幅的相对关系。脑电图是以基线为标准朝上的波为负向波(负性波),朝下的为正向波(正性波)。将两个运动中的波进行比较,如他们呢在某个或者每个瞬间出现的时间、周期和极性(波峰指向,正相或负向)都完全一致,称之为同位相。若先后出现则成为有位相差,若两个波错位180°则成为位相倒置。

脑电位相示意图

脑电节律

闹点中图形相同、周期一致且重复出现的活动称之为脑电节律。

脑电基线

每一个波上下偏移时都会依据自己的中心点,将连续脑电波的每一个中心点连接起来,就会成为一个近似的直线,该线被称为基线。该中心轴线若为一条直线或近似直线,则成为基线平稳;若形成一条波幅高于25μV,时间大于1000ms缓慢移动的曲线,则称为基线不稳;若波幅小于25μV。则成为基线欠稳。

基线不稳可分为两类;一类是伪迹性不稳,主要是由于记录过程中的伪迹影响,比如,出汗、身体摆动、导线抖动等因素,这些均是外界因素造成的,通过调整后可以纠正;还有一类是生理、病理过程,如小儿发育过程中,早期脑功能不完善,就会出现基线的动荡不稳。

调幅

调幅是指具有基本频率的脑电波的波幅有规律的由低逐渐增大,又逐渐减小的过程,此过程可持续数秒。调幅的改变使EEG间歇性出现纺锤状变化。

脑电的调幅现象

背景节律

不同的人以及不同的情况下的脑电会有不同的节律。一般情况下,都会有一个优势频率,即在记录中最为突出和明显的节律,称之为背景节律(Background Rhythm)。

同步化和去同步化

同步化是指群组细胞间同步性活动的表现过程;去同步化则是指神经元回去中细胞活动失去同步性,即既不能同时开始,又不能同时停止,而位相又不相同的独立的放电过程。

综上所述,了解脑电的基本特征后,是不是对脑电图有一定的了解了呢?其实,脑电图并不是指一种图形,而是指多个不同类型的图形,常用分类依据是频率。

脑电波根据频率不同被分为不同类型的波,如δ波、θ波、α波、β波、γ波。通过不同的波可以大致确认被试脑区的兴奋程度,间接推测出被试者所处的不同状态。

不同类型波之间的区别如下表所示:

波形 频率 波幅 主要出现的脑区 主要出现的环境
δ波 0.5~3Hz 10~30μV,不超过50μV 前头部 婴儿期或者智力发育不成熟;成人在极度疲劳或深度睡情况下出现
θ波 4~Hz 10~30μV,不超过50μV 颞部 少年期(10-17岁);成人受到挫折后或者抑郁后者浅睡以及精神病患者比较显著。
α波 8~12Hz 30~50μV,最高不超过100μV 枕部最高,其次为顶叶、额部,最后为颞部 正常人脑电波的基本规律,在清醒安静状态下最为明显,睁眼后即刻消失。
β波 13~32Hz 5~30μV,一般为20μV 可以见于全头,主要见于中央区及额区 精神紧张和情绪激动或亢奋时下出现
γ波 32Hz以上 15~25μV 额区和前中央区比较多 快速眼球运动中

脑电图中最经典的实验设计是ERP实验

什么是ERP?

ERP是Event-Related Potentials的简称,也称之为事件相关电位。即当外在一种特定的刺激,作用于感觉系统或脑的某一部分,在给予或撤销刺激时,或当某种心理因素出现时,在脑区所产生的电位变化。

ERP的历史

最初的ERP是由EP(Evoked Potentials,诱发电位)演变来的,因为EP是通过刺激诱发产生的电位,所以称它为刺激事件引起的脑电真实的实时波形,不过随着研究的深入,发现EP不仅可以由外界刺激产生,而且也可以主动的自上而下的心理因素引起,因此,为了明确诱发电位,将“刺激”改为“事件”(Event),“诱发电位”改为“事件相关电位”,才有了“事件相关电位”这一名词。1961年Grey Walter 等人发表了第一个认知ERP成分(CNV),标志着ERP研究新时代的开始。

Grey Walter

此后,脑电和心理因素相关的研究如雨后春笋般迅速发展起来,用ERP方法进行的脑的高级功能的研究出现一系列的突破,ERP便被誉为“观察脑的高级功能的窗口”。

ERP是通过头皮上放置的电极记录到生物电的电位变化,并以信号过滤和叠加的方式从EEG中分离出来,它的电位变化是与人类身体或者心理活动有时间相关的脑电活动,因此是一种无损伤性的脑认知成像技术。

事件相关电位ERP的分类

ERP有多种分类 ,主要的有根据刺激成分、感觉通路及潜伏期三种分类方法。

内源成分和外源成分

最初根据刺激成分分为外源性成分和内源性成分。外源性成分是人脑对刺激产生的早期成分,受到的是物理性质的刺激。如听觉和视觉的刺激;内源性成分是和人们的知觉活心理加工过程有关,比如注意、记忆、智力等加工过程。

Rockstroh B等人曾在1982年对ERP成分的主要特点进行了初步的总结。

事件相关电位的主要特点如下表所示:

外源性ERP成分 内源性ERP成分
A 短潜伏期(最大100ms) 峰潜伏期变化大(100ms至数秒)
B 不同的感觉形式,有不同的头皮分布 无特殊性的感觉形式;随任务不同,头皮分布可变化
C 代表经典的感觉通路;电位时空模式决定相关的感受器和通道的完成与组成,电位成分主要反应低级结构的功能(如外周通道、脑干、丘脑水平) 不依赖于诱发事件的物理参考;根据不同的刺激,即使感觉形式不同,只要任务相同,也可以诱发出相同的内源性ERP成分
D 潜伏期与波幅依赖于物理刺激参数 诱发反应不是严格的决定于刺激,相同的物理刺激,对用同一个被试有时能或不能诱发出某一成分,且在刺激缺失时,如果确实对被试有一致作用,也可诱发出电位成分
E 与被试主观唤醒状态无关吗,在睡眠与昏迷状态下也可以诱发出ERP 依赖于任务、指导语或者实验设置诱发的心理状态和认知努力
F 高度的个体稳定性,或被试的自身可靠性

按感觉通路分类

常用的是听觉诱发电位(auditory evoked potential, AEP)、视觉诱发电位(visual evoked potential, VEP)、体感诱发电位(somatosensory evoked potential,SEP),偶尔还有嗅觉诱发电位和味觉诱发电位。

听觉诱发电位

视觉诱发电位

体感诱发电位

按潜伏期分类

按潜伏期分类,可分为早成分、中成分、晚成分和慢波。

早成分、中成分和晚成分示意图

慢波

ERP成分命名列表

按顺序命名

正波名为P,负波名为N,其后添加出现的顺序数字。在刺激固定的情况下,ERP的波数和顺序是相对固定的,因此,各个波可以按照顺序命名。例如AEP(听觉诱发电位),早期成分被命名为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ;中成分被命名为No、Po、Na、Pa、Nb;晚期成分被命名为P1、N1、P2、N2、P3.

按潜伏期命名

正波名为P,负波名为N,其后标出潜伏期。例如,270ms左右出现的正波记为P270;通常提到的P1、N1、P2、N2、P3分别又称为P100、N100、P200、N200、P300。慢波按照正、负分为正慢波(positive slow wave, PSW)和负慢波(negative slow wave, NSW)。潜伏期还可以命名为一个时间范围内的波,如P20-50;也可以命名刺激或者反应之前的波,如N-90。

按功能意义命名

有些成分的意义相对明确,可按其意义命名,如失匹配波(mismatch negativity, MMN)、加工负波(processing negativity, PN)、预备电位(readiness potential, RP)等。

 

ERP常用监测工具

ERP是脑电的一种,选择一般的脑电设备即可监测,脑电设备通常由:脑电帽、电极、导电膏组成。

NE脑电仪

各种电极

一体式电极帽

脑电采集方法

脑电所采集的数据仅为部分神经元的活动,但是脑内的具体活动情况又是无穷多的,为了解决这个问题,科学家采用了许多办法,这些方法包括无损伤和损伤两类。无损伤方法包括:增加电极,通过高密度记录电极的数据,结合复杂的数学程序和若干假设,进行分析运算;与高空间分辨率的脑功能成像方法结合(如PET、fMRI、fNIRS)。

无损方法:Noninvasive-scalp EEG(非侵入式颅外脑电)

EEG和fNIRS共同采集

损伤方法包括:手术中的颅内技术、脑损伤或脑局部切除患者的颅外记录、动物模型的急慢性埋藏电极记录等。

损伤方法:Electrocorticography(ECOG)-intracranial EEG (IEEG)颅内脑皮质电位

由于损伤方法均有一定的创伤性,在目前的研究中无损伤方法使用比较广泛,易被大众接受。

目前市场上脑电采集系统所采用的原理大同小异,最大的区别在于电极以及抗干扰能力,常见的电极有干电极和湿电极,还有特殊电极。干电极在实验的准备阶段比较方便,但是信号质量稍差于湿电极信号。

干电极

干导电膏电极(湿电极)

前额电极

如何选择脑电设备?

一般选择脑电的话要考虑到两个因素,一个是环境因素,一个是测试精度。

根据环境选择:

选择脑电额关键指标是它的抗干扰能力,它决定设备对环境的复杂程度的包容性,其次是电极的性质,可以根据测试环境进行选择。如果是在周围环境比较嘈杂的情况下,如户外或运动下,可以选择带有屏蔽技术的脑电;可以极大的提高信号质量,降低信号伪迹;如果是在特殊情况下,如核磁共振的测试环境下,就要选择含有非金属电极的脑电;若想要缩短实验准备的时间,可选择干电极,它可以大大减少实验前的准备时间,但是信号质量稍微比湿电极采集的信号质量略差一些。

根据精度选择:

由于有些神经元放电产生的磁场会彼此之间相互抵消,脑电所采集的信号并不是所有参加活动的神经元的生物电信号,而是采集参与活动的部分神经元的放电活动,因此,为了更加明确的探索产生生物电信号的具体位置,需要高密度记录电极的数据。如果对精度要求比较高如情感识别、兵乓球运动员的视觉反馈等,可以选择较多通道数和比较高的采样频率;如果对精度的需求不是很高,可以选择常用的通道数,如8导、20导、32导。

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