第一講 EEG信號基礎(chǔ)

1、第一講第一講 EEG信號基礎(chǔ)信號基礎(chǔ)主講人：謝宏主講人：謝宏信息工程學院信息工程學院大腦的外部環(huán)境大腦的外部環(huán)境v人的大腦位于顱腔內(nèi)，大腦分為左右兩半球v腦組織外的顱骨、腦膜、血管、腦脊液和血-腦屏障等構(gòu)成了腦的物理、化學環(huán)境v正是這些理化環(huán)境的相對穩(wěn)定才保證了腦的正常生理功能 1腦膜(meninges)：硬膜(或稱韌膜)、蛛網(wǎng)膜和軟膜3層組成。 2腦脊液 腦脊液是一種比重低而清晰的液體，含有較多的電解質(zhì)(氯化納、氯化鉀、氯化鈣等)，及少量的蛋白質(zhì)和葡萄糖。3腦屏障v血腦屏障(blood brain barrier) v血腦脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barr

2、ier) v腦脊液腦屏障 (brain cerebrospinal fluid barrier) 大腦的結(jié)構(gòu)大腦的結(jié)構(gòu) v人的大腦人的大腦(Brain)包括左、右兩個半球及連接兩個半包括左、右兩個半球及連接兩個半球的部分。球的部分。v大腦半球大腦半球被覆灰質(zhì)，稱大腦皮質(zhì)，其深部為白質(zhì)，被覆灰質(zhì)，稱大腦皮質(zhì)，其深部為白質(zhì)，或稱為髓質(zhì)。大腦兩半球間由巨束纖維（胼胝體，或稱為髓質(zhì)。大腦兩半球間由巨束纖維（胼胝體，corpus callosum）相連。）相連。v 腦主要包括腦主要包括大腦大腦、間腦間腦、小腦小腦、中腦中腦、腦橋腦橋及及延髓延髓等六個部分。等六個部分。 原始分區(qū) 再分區(qū) 主要部位 功 能

3、 前腦 端腦 嗅腦 rhinencephalon 嗅覺中樞 forebrain （大腦） 基底神經(jīng)節(jié) basal ganglia 運動控制 cerebrum 大腦皮層 cerebrum cortex 高級功能 間腦 diencephalon 丘腦 thalamus 感覺傳入沖動傳向大腦皮質(zhì)的中繼站，粗淺感覺分析 下丘腦 hypothalamus 調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動 神經(jīng)垂體posterior pituitary 神經(jīng)內(nèi)分泌功能 松果體 pineal body 內(nèi)分泌腺，褪黑素 中腦 midbrain 中腦 中腦 視覺中樞，網(wǎng)狀激活系統(tǒng)，內(nèi)臟調(diào)節(jié) 菱腦 后腦（小腦） 小腦 調(diào)節(jié)軀體運動、隨意運動 hi

4、ndbrain cerebellum 腦橋 pons 網(wǎng)狀激活系統(tǒng)，內(nèi)臟控制 髓腦 myelencephalon 延髓 medulla oblongata 基本生命中樞，感覺核，網(wǎng)狀激活系統(tǒng) 原始神經(jīng)管 神經(jīng)管 脊髓 spinal cord 低位中樞，基本反射活動 神經(jīng)嵴 外周神經(jīng)節(jié) 神經(jīng)通路或換元 1腦的表面結(jié)構(gòu) 2大腦皮層功能分區(qū) 腦電的產(chǎn)生與測量v在大腦活動時，大腦外層皮質(zhì)細胞所產(chǎn)生的生物電將隨時間和空間出現(xiàn)變化v用置于頭皮表面的電極探測各點的電勢差隨時間的變化（EEG）。v頭皮電極測量的電勢差變化是大量腦細胞疊加的結(jié)果。+ _vo+_活動位置活動位置參考位置參考位置NoImage雙極腦

5、電記錄雙極腦電記錄+ _vo+_記錄兩個活動位置電位的差記錄兩個活動位置電位的差電極的安放：10-20導聯(lián)系統(tǒng)更多的導聯(lián)系統(tǒng)如何放置電極v皮下針電極：醫(yī)院用于誘發(fā)電位等的檢測v表面濕電極：帶電極帽，電極灌注導電膏v表面干電極：帶電極帽腦電波的分類腦電波的分類v自發(fā)腦電：人的大腦皮層有自發(fā)的電活動，其電位隨時間發(fā)生變化，用電極將這種電位波形提取出來并加以記錄就可以得到腦電圖。v誘發(fā)腦電：如果給機體以某種刺激后經(jīng)過一定的潛伏期，在腦的特定區(qū)域出現(xiàn)的電位反應(yīng)，其特點是誘發(fā)電位與刺激信號之間有嚴格的時間關(guān)系。自發(fā)腦電波形自發(fā)腦電波形v波：頻率為1-3.5Hz，振幅為20-200V，在睡眠、深度麻醉、缺

6、氧或大腦有器質(zhì)性病變時出現(xiàn)。v波：頻率為4-7Hz，振幅約為10-50V，在困倦時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)時所記錄的波形。 v波：頻率8-13Hz，振幅20-100V，可在頭的枕部檢測到，它是節(jié)律性腦電波中最明顯的波。 v波：波頻率約為1330Hz，振幅約為5-20V,是一種快波，波的出現(xiàn)一般意味著大腦比較興奮。 自發(fā)腦電的時域與頻域波形normal signaltheta bandalpha bandbeta bandgamma band0 1000 Hz4 8 Hz13 30 Hz8 12 Hz30 100 Hz誘發(fā)電位誘發(fā)電位v定義：分別采用脈沖電流、閃光或變化的圖象、連續(xù)聲音作為刺激

7、源誘發(fā)的神經(jīng)動作電位或突觸后電位。v誘發(fā)電位特征有一定潛伏期，潛伏期長短取決于刺激部位與記錄部位的距離、神經(jīng)沖動傳導速度、傳導通路中神經(jīng)元突觸的數(shù)目等。由于感覺特異性投射系統(tǒng)有特定的傳入通路和皮層代表區(qū)，不同種類的誘發(fā)電位有特定的局限性和空間分布。不同種類的誘發(fā)電位有一定的反應(yīng)形式，并具有可重復性。NoImage誘發(fā)電位記錄示意圖+ _vo+_strobe light flashes, elicits evoked potential +EEG:vo:+EPEEG=“single trial”誘發(fā)電位記錄原理 皮層誘發(fā)電位的反應(yīng)v特異性反應(yīng)：原發(fā)性特異反應(yīng)：指刺激特定感受器后，從皮層一級感覺接

8、受區(qū)記錄到的誘發(fā)電位。潛伏期和波幅除受刺激的物理參數(shù)的影響外，很少受意識影響。波形多保持一致，沒有習慣化(多次重復刺激后反應(yīng)強度減弱) 。繼發(fā)性特異性反應(yīng)：指從一級感覺區(qū)附近的皮層區(qū)記錄到的誘發(fā)電位，出現(xiàn)于原發(fā)性特異性反應(yīng)之后的繼發(fā)波形。這些反應(yīng)經(jīng)多次反復刺激后，很快產(chǎn)生習慣化。v非特異性反應(yīng)為廣泛的皮層區(qū)對刺激的反應(yīng)，不論其感覺刺激的形式如何，都可獲得同樣的反應(yīng)，它們廣泛分布于額及顳區(qū)，受意識影響。臨床上用于神經(jīng)心理學檢測。常用的誘發(fā)電位v視覺誘發(fā)電位視覺誘發(fā)電位(pattern reversal visual evoked potential，PR-VEP),v腦干聽覺誘發(fā)電位腦干聽覺誘發(fā)

9、電位(brain stem auditory evoked potential，BAEP)v體感誘發(fā)電位體感誘發(fā)電位(somatosensory evoked potential，SEP)。 v誘發(fā)電位幅值較小，完全淹沒在自發(fā)腦電信號中，一般要采誘發(fā)電位幅值較小，完全淹沒在自發(fā)腦電信號中，一般要采用疊加平均處理提高信噪比。用疊加平均處理提高信噪比。v用途：特異性反應(yīng)可在功能上判斷病變部位、病變程度。非用途：特異性反應(yīng)可在功能上判斷病變部位、病變程度。非特異性反應(yīng)可顯示心理活動過程的部分階段，了解心理疾患特異性反應(yīng)可顯示心理活動過程的部分階段，了解心理疾患動因。動因。上肢體感誘發(fā)電位示意N9：臂

10、叢電位N13：頸髓后角P15:內(nèi)側(cè)丘系/背側(cè)丘腦N20:體感皮層I區(qū)原發(fā)反應(yīng)N9-N13:脊神經(jīng)后根傳導N13-N20:中樞傳導時間P15-N20:丘腦頂葉束傳導時間P25-P45：繼發(fā)反應(yīng)下肢體感誘發(fā)電位示意下肢體感誘發(fā)電位示意vCEp:馬尾電位vLP:腰脊髓電位vP40:I級皮層原發(fā)反應(yīng)vLP-P40:中樞傳導時間視覺誘發(fā)電位導聯(lián)對應(yīng)的視覺皮層視覺誘發(fā)電位聽覺誘發(fā)電位記錄導聯(lián)與聽覺傳導通路腦干聽覺誘發(fā)電位（ BAEP ）腦電圖與腦誘發(fā)電位的比較事件相關(guān)電位事件相關(guān)電位(ERP)v誘發(fā)電位（EP）的定義：當外加一種特定的刺激作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)所引起的

11、電位變化。v事件相關(guān)電位（ERP）的定義：當外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，或/和當某種心理因素出現(xiàn)時在腦區(qū)所產(chǎn)生的電位變化。v特性：被自發(fā)腦電淹沒，約2微伏 10微伏。兩個恒定：潛伏期、波形。EEG對對ERP的淹沒與疊的淹沒與疊加基本原理加基本原理心理生理心理生理臨床應(yīng)用臨床應(yīng)用特因條件特因條件功能評估功能評估注意、記憶、語言加注意、記憶、語言加工、知覺、意識等工、知覺、意識等神經(jīng)精神科、昏迷愈神經(jīng)精神科、昏迷愈后、輔助診斷等后、輔助診斷等航空、航天、航海、航空、航天、航海、惡劣環(huán)境條件等惡劣環(huán)境條件等智能評估、音樂認知智能評估、音樂認知能力、健康評

12、估等能力、健康評估等腦電信號的特點v幅度：0.1 100 Vv頻帶頻帶: 0.5 3000 Hz 干擾信號：眼電干擾、肌電干擾、工頻干擾、環(huán)境電磁噪聲干擾、基線漂移等 信號源的內(nèi)阻大，且具有時變性工頻共模干擾v在進行生物電測量時，被測體（通常是人體）受到電網(wǎng)形成的交流電場的作用，會在人體上產(chǎn)生交流電位，這個電位在體表各部分是相同的，是一個共模干擾 腦電信號放大器的性能要求v高放大倍數(shù)高放大倍數(shù)v高輸入阻抗高輸入阻抗v低噪聲低噪聲v適當?shù)耐l帶適當?shù)耐l帶v高共模抑制比高共模抑制比v低漂移低漂移腦電信號放大器的設(shè)計考慮v生物電放大器的形式（差分放大器）生物電放大器的形式（差分放大器）v生物電放大

13、器的增益設(shè)置（多級放大）生物電放大器的增益設(shè)置（多級放大）v電極電位的考慮：采用鹵化銀電極，其次采電極電位的考慮：采用鹵化銀電極，其次采用金或銅電極用金或銅電極v干擾的抑制干擾的抑制屏蔽線驅(qū)動：抑制共模干擾屏蔽線驅(qū)動：抑制共模干擾右腿驅(qū)動：抑制共模干擾右腿驅(qū)動：抑制共模干擾濾波濾波v電氣隔離電氣隔離前置放大器v總的共模增益Gc為D3組成的差模放大器的共模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。v電路中的R1常被用來調(diào)節(jié)增益v差分放大器增益：v差模增益：Gd1=1+2R2/R1，v共模增益：Gc1=1，v總增益：Gd=Gd1Gd2，儀器放大器instrumentation amplifierv有很

14、多這樣的集成電路芯片如AD620，INA118等，可以直接用來作為前置放大器。 Low Cost, Low PowerInstrumentation Amplifier AD620vEASY TO USEvGain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 1000)vWide Power Supply Range (2.3 V to 18 V)vHigher Performance than Three Op Amp IA DesignsvLow Power, 1.3 mA max Supply Current電極引線中也會感應(yīng)工頻干擾

15、v降低電極阻抗Z2 和Z1v降低id，將各引線屏蔽接地。 假定：引線1中的電流是id1，引線2中的電流是id2，接地回路的電流=id1+ id2因Z1和Z2的不一致而轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ娢唬篤+ V- = id2 Z2 id1 Z1= id (Z2 Z1)屏蔽線驅(qū)動 v對于共模信號而言，分布電容兩端等電位，流過電容的電流Ic=0，相當于阻抗為無窮大，從而消除了屏蔽線分布電容的影響。這種方法稱為屏蔽驅(qū)動。右腿驅(qū)動電路 vD1和D2組成的電路的共模增益為1，在a、b處的共模信號Vc與被測體上的共模信號Vc相等，Vc=Vc。Vc=idbRo+Vo則： cafcVR2RoRVdbi右腿驅(qū)動電路 v直接接地Vc

16、=idbRGv使用右腿驅(qū)動可使共模干擾減少（1+2Rf /Ra）倍。afocR2R1RVdbinRo是一個比較大的值，它的作用是在D5飽和時流過人體的電流仍是安全的，如10A以下，因此Ro的存在也會抵消右腿驅(qū)動電路的作用。 濾波v根據(jù)信號感興趣的頻段設(shè)計濾波器，可以使用低通濾波器抑制高頻，高通濾波器抑制低頻（如基線漂移）。v如果有用信號的頻段包括工頻時，可采用工頻陷波器來抑制工頻干擾。v為了提高濾波性能，也可以在轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以后采用高階濾波器進行數(shù)字濾波。0.11101001k10k100k1M10M100M1G/HzEEGEMGEOGENGERGPCGSEPAEPECGVEPENG ele

17、ctronystagmography眼球震顫電流描記 PCG phonocardiogram心音圖AEP auditory evoked potential 聽覺激發(fā)電位 SEP somatosensory evoked potential身體感覺激發(fā)電位基線漂移與高通濾波基線漂移與高通濾波-波形波形B,A=ellip(4,0.5,20,0.5*2/200,high)y=filter(B,A,x)電氣隔離電氣隔離 目的：保證病人安全v當人體因漏電等原因與市電（如220V）接觸，由于儀器與病人相連的應(yīng)用部分是與儀器使用市電的電路部分電氣隔離的，電流i不能構(gòu)成回路，因此病人是安全的。v電氣隔離：信

18、號通路隔離+電源供應(yīng)隔離。 信號通路電氣隔離的方式v變壓器隔離v電容隔離v光電隔離信號調(diào)制（500kHz）隔離器件同步解調(diào)配對光電管隔離v輸入運放A1上的發(fā)光二極管CR1和光電二極管CR2組成負反饋，所以i1=vi/RG。兩個光電二極管是配對的，產(chǎn)生相同的光電效應(yīng)，i2=i1=ii。運放A2實際上是一個電流電壓轉(zhuǎn)換器，vout=i2RK，所以，vout=viRK/RG。電路的線性僅取決于光電二極管的一致性。 DC-DC轉(zhuǎn)換器v注意兩個運放的供電是不同的，V由一電源直接供電，而V一般是由V通過DC-DC轉(zhuǎn)換器提供的。轉(zhuǎn)換器實際上是將一起電源提供的直流電斬波成400到900kHz的方波，通過變壓器

19、線圈后再整流成直流電提供給隔離部分，V和V之間的電能是靠磁場傳遞的，沒有直接的電氣連接，兩者的接地也是沒有連接的。DC-DCV+V-V+數(shù)字電路的隔離v以上信號通路的電氣隔離都是在模擬部分進行，實際上隨著元器件的集成度提高和耗電量的減少，可以將光電隔離放在A/D轉(zhuǎn)換之后，也即對各總線進行隔離。由于僅有0、1兩種狀態(tài)，光電轉(zhuǎn)換就沒有線性問題。對放大器前級的控制也更加方便。高電壓保護v有可能同時使用除顫器或電刀等設(shè)備，這會在電極之間形成高壓沖擊，造成儀器設(shè)備的破壞。所以，生物電放大器還需對此有保護，除了保護設(shè)備以外，也間接對病人提供保護，因為儀器的輸入級受損后有可能會產(chǎn)生有害的電流。 v限壓和限流

20、器件生物電放大器的技術(shù)指標v共模抑制比v頻率響應(yīng)v時間常數(shù)v靈敏度(增益)v噪聲v輸入阻抗共模抑制比共模抑制比v可表示為CMRR=Ad/Acm，其中Ad為系統(tǒng)總的差模增益，Acm為系統(tǒng)總的共模增益。共模抑制比常用分貝（dB）表示，即CMRR=20lg(Ad/Acm)，該值體現(xiàn)了儀器的抗共模干擾的能力。一般腦電圖機和心電圖機的共模抑制比至少要求為80dB，現(xiàn)在一般都能做到100dB以上。 時間常數(shù)時間常數(shù)v時間常數(shù)反映的是儀器的低頻截止頻率（時間常數(shù)反映的是儀器的低頻截止頻率（fL），由），由于頻率低的信號要幾秒鐘、甚至十幾秒才一周，難于頻率低的信號要幾秒鐘、甚至十幾秒才一周，難以測定，實際測定

21、時是將生物電測量系統(tǒng)的低頻特以測定，實際測定時是將生物電測量系統(tǒng)的低頻特性看作一階高通，用記錄一個標準的階躍信號幅度性看作一階高通，用記錄一個標準的階躍信號幅度下降到下降到=37%時所需的時間（時所需的時間（t）來反映）來反映fL，v如截止頻率如截止頻率fL=0.1Hz時，時，t=1.6秒；秒； fL=0.5Hz時，時，t=0.32秒；秒； fL=1Hz時，時，t=0.16秒。秒。ttfL1602.ln噪聲v放大器的噪聲一般是指在輸出端測得的、折合到輸入端的噪聲幅度。通常是在輸入端為0電平時（輸入接地）測量輸出端的噪聲峰峰值或有效值，除以放大器的增益極為放大器的噪聲。噪聲與放大器的通頻帶大小有

22、關(guān)。選用噪聲小的前置放大器，可以做到在0.5- 100Hz 范圍內(nèi)噪聲小于lV p-p。輸入阻抗v輸入阻抗應(yīng)該至少是信號源內(nèi)阻的10倍以上。由于提高輸入阻抗有利于提高信噪比，很多生物電放大器能夠?qū)⑤斎胱杩棺龅?00M。v由于微電極阻抗可達540M，微電極前置放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1000 M。腦電信號采集系統(tǒng)信號采集（A/D轉(zhuǎn)換）vADC中的兩個主要過程：采樣量化。v將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號有可能會造成一定的失真和誤差，信號采集必須將這種失真和誤差控制在適當?shù)姆秶畠?nèi)v與信號調(diào)理有關(guān)的主要考慮采樣頻率和量化誤差。 采樣的時間間隔v采樣是指每隔T秒所記錄的x(t) 的幅值。設(shè)x(t)是模擬信號，將采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示數(shù)據(jù)序列中的采樣位置，k=0,1,N-1，（N是數(shù)據(jù)序列總的采樣數(shù)）。T稱為采樣間隔，采樣率為1/T（Hz）。 采樣定理v采樣率必須符合相農(nóng)(Shannon)采樣定理，即對于連續(xù)信號f(t)，采樣頻率fs必須大于或等于信號的最大頻率fmax的兩倍，即fs2fmax。fs/2稱為納奎斯特頻率（Nyqu