腦電圖是大腦活動時大量神經(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，是使用電生理指標記錄大腦活動的方法。但腦電信號幅度弱、頻率低，容易受環(huán)境及其他內(nèi)源性電生理信號干擾，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)要滿足一定的條件。通常，一個完整的腦電數(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。具體來說，頭皮表面電極記錄的電壓信號通過放大器轉(zhuǎn)換成適當(dāng)電壓范圍內(nèi)的信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號從模擬電壓格式轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式，最后通過記錄電腦進行數(shù)據(jù)存儲。

 

圖1:腦電記錄系統(tǒng)

 

02腦電采集電極分類

 

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)計出適用于采集腦電信號的電極材料、保證采集腦電信號的質(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

 

濕電極為腦電采集的傳統(tǒng)電極類型，一般采用Ag-AgCl 做電極材料。進行腦電信號采集時，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“金標準”，有阻抗低、穩(wěn)定、信噪比高和信號可靠的優(yōu)勢。但是由于需要涂抹導(dǎo)電膏，實驗準備過程復(fù)雜，濕電極存在一些缺點，例如: 電極空間分辨率不高、被 測者會有不適感、長時間采集導(dǎo)電膏會變干從而影響信號采集的精準度等等。

干電極由于不需要涂抹液體導(dǎo)電膠，具有使用方便、使用者感覺舒適、易于便攜式腦電設(shè)備的應(yīng) 用等顯著優(yōu)勢。但干電極的剛性材料無法緊密接觸頭部，尤其是有發(fā)區(qū)域，信噪比不夠，容易對皮膚產(chǎn)生損傷，且阻抗過大不利于采集信號。

半干電極( 準干電極)針對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，建立相對穩(wěn)定的電—頭皮界面?？删C合傳統(tǒng)電極與干電極的特點，既兼顧了降低阻抗所需要的電解質(zhì)層，又避免了干電極對皮膚的創(chuàng)傷。

 

03腦電采集電極分布

 

1958年，國際腦電圖學(xué)與臨床神經(jīng)生理學(xué)聯(lián)合會（international federation in electroencephalography and clinical neurophysiology）制定了腦電圖電極置位置標準方案，隨后美國腦電圖學(xué)會（American electroencephalographic society）經(jīng)過不斷修訂，形成了現(xiàn)在被廣泛使用的國際10-20電極排布系統(tǒng)。具體來說，首先在頭皮表面確定兩條線，第一條為鼻根（Nasion）至枕外隆凸（Inion）的前后連線，第二條為左右耳前凹之間的左右連線，這兩條連線的交點處于頭頂處，即為電極Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后連線的長度設(shè)為100%，沿著鼻根至枕外隆凸的前后連線，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距離枕外隆凸的長度為10%；左右耳前凹之間的左右連線長度同樣設(shè)為100%，沿著這條左右連線，從左側(cè)耳前凹向右距離為10%的位置定為T3電極位置，從T3向右每隔20%的距離設(shè)置一個電極，從左到右依次為C3、Cz、C4和T4，其中T4電極距離右側(cè)耳前凹的長度為10%；電極有特定的字母和數(shù)字進行標記，其中

 

F為額葉（Frontal）
T為顳葉（Temporal）
P為頂葉（Parietal）
O為枕葉（Occipital）
C為中央?yún)^(qū)（Central，大腦沒有這個區(qū)，是為了方便識別更為典型的腦電活動，如運動相關(guān)的通常在C3和C4）
“z”表示放置在中線上的電極，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：國際10-20系統(tǒng)

 

10-10系統(tǒng)可以看成是10-20系統(tǒng)的擴展，在10-20的基礎(chǔ)之上，在10%的位置上進行電極的擴展，便得到10-10系統(tǒng)。

 

圖4：國際10-10系統(tǒng)

 

04 放大器記錄的是什么信號

 

一般來說，根據(jù)在腦電數(shù)據(jù)記錄過程中的不同的作用，電極可以分為三種類型：活動電極、參考電極和接地電極。每個單獨的腦電電極的電壓波形圖可以被看作活動電極（A）和參考電極（R）之間電勢差隨時間的變化。從理論上來說，參考電極應(yīng)設(shè)置在較遠的位置，絕地電勢為零。因此，A和R之間的電勢差在很大程度上可以反映A附近的電活動。然而，這種完美的參考電極并不存在，事實上在大多數(shù)情況下參考位點不是電中性的。因此，活動電極和參考電極之間的電勢差反映了兩個位點的電活動。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)包含多個活動電極、一或兩個參考電極和一個接地電極。

腦電采集到的信號為電壓值，是從多個電極獲取的，并不存在單點的電壓值。比如Fz點的腦電信號反應(yīng)的是Fz點和接地點之間的電勢差，電壓信號實際為：

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：不同電極類型分布

 

同時放大器有硬件的內(nèi)部都裝有濾波器，濾波器的設(shè)計會衰減信號的低頻和高頻部分。所以選擇放大器的寬帶越寬，即放大器進行測量的有效頻帶越寬，則所采集的范圍信號越多，但是所產(chǎn)生的噪音信號就越多。

 

05 如何選擇合適的腦電設(shè)備

 

1.電極類型

電極類型的選擇取決于多種因素，包括所需的信號質(zhì)量、時間限制、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)點成為臨床和科研腦電測量的主要選擇和標準。但其操作不便、舒適度差、持續(xù)操作時間短的缺點也限制了其在穿戴式日常動態(tài)腦電監(jiān)測的應(yīng)用。

當(dāng)獲取的腦電信號質(zhì)量至關(guān)重要時，最佳選擇是作為金標準的濕電極；當(dāng)準備和清理時間至關(guān)重要時，并且沒有訓(xùn)練有素的技術(shù)人員可測試時，干電極和半干電極是不錯的選擇；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，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，方便不同場景使用。

2.電極數(shù)量
多數(shù)情況下，推薦32或64個活動電極，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
推薦國際10-20系統(tǒng)。

4.參考電極
在采集腦電數(shù)據(jù)的過程中，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，因為這樣研究者總是可以在離線處理數(shù)據(jù)的時候重新參考。對于未來展示腦電數(shù)據(jù)時的參考電極，我們建議選擇同研究領(lǐng)域研究者普遍認可的電極。

5.放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器
對于放大器，推薦高輸人阻抗(至少為100MΩ)和高共模抑制比(至少為100dB)。 對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，推薦高電壓分辨率(超過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)時不要使用模擬濾波器，因為可以用更好的數(shù)字濾波器對數(shù)據(jù)進行離線濾波。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1000Hz的頻率。