ERP技术原理

ERP技术原理魏景汉（中国科学院心理研究所）1875RichardCaton等首先在暴露的家兔脑表发现脑的自发电活动1924HansBerger首次在颅骨损伤病人大脑皮质和和正常人头皮上记录到EEG1929HansBerger首先发表头皮记录的EEG论文，并报告心算可引起EEG的α节律减少。当时电生理学家正致力于动作电位研究，认为Berger观察到的EEG节律是一种噪音。1934Adrian等、1935Jasper等也观察并证实了Berger的观察，EEG的客观存在才得到了认可。EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身ERP是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观察不到，需提取EEG的发现一、EEG对ERP的淹没与叠加基本原理（一）特性：1．淹没，约2微伏~10微伏。2．两个恒定：潜伏期、波形。（二）出现：•1935-1936PaulineandHallowellDavis首先在清醒人记录到感觉EP。•1939Davis等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，EEG平静时记录。•1947Dawson首次报道用照相叠加技术记录人体EP。•1951Dawson首次发明机械驱动-电子存储式EP叠加与平均方法（张明岛等，1995），开创了神经电生理学的新时代。•1962GalambosandSheatz首次发表计算机平均叠加ERP论文。•1964GreyWalter等发表第一个认知ERP成分（CNV），标志着ERP研究新时代的开始。1966:1771967-68:15011969-70:19711971-72:20631973-74:22161975-76:25381977-78:26241979-80:34451981-82:42081983-84:44161985-86:45381987-88:46101989-90:48041991-92:54791993-94:53861995-96:54611997-98:58881999-00:62052001-02:62992003-04:6996ERP的发展趋势（三）EEG对ERP的淹没与叠加基本原理计算机不设置负值，只有正值，波的低谷也为正值，故噪声叠加也增大，而不是互相抵消。信噪比的提高值与叠加次数:。例：原信号2微伏/噪音10微伏=0.2，叠加100次后（2微伏×100）/（10微伏×）=200微伏/100微伏=2二、噪音、干扰、伪迹的概念噪音：自发电位、仪器的本底噪音。干扰：50Hz市电。伪迹：被试的EOG、运动电位等。//SNnnn100EEG放大A/D叠加总测量转排伪存盘平绘图EOG模滤换数滤均统计光盘记录(离线式)三、ERP数据提取过程（一）增益(Gain,放大倍数Amplification):（1）一般取105。（2）含HeadBox150倍。（3）VEOG与HEOG应减小。（4）分贝与放大倍数的关系：1dB=20logA，logA=dB/20例如，A=10000，则可表示为80dB。120dB，则logA=120/20=6，A=106。（5）易犯错误：取值过大而超限，表现为削顶，甚至成为直线。（二）共模抑制比（辨差比，Commonmodelrejectionratio,CMRR）减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。CMRR=Ad/Ac,Ad：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。Ac1。例如，Ad=50000，Ac=1/20，则CMRR=106=120dB。（三）通过模拟滤波（设定频带宽度）减少噪音与干扰(1)频响曲线：任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行放大，对超过者不放大；该范围表示为频响曲线。频率Hz放大倍数Ad0.7FLFh频率响应曲线频带宽度：（约0.7）倍Ad时，高低频响间频带宽。范围的两端皆可调。1/2(2)时间常数：TC=1/（2πfL），fL为低端频响。低端频响=高通(high-pass)值，高端频响=低通(low-pass)值。(3)设定频带宽度，使其仅够放大拟研究的ERP信号，则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大，达到排除噪音与干扰信号目的。频带宽度的设定数值将直接影响ERP波形是否失真，至关重要。时间常数对波形的影响若TC=10，则FL=1/2πTC=1/62.8=0.0159Hz若TC=1，则FL=1/2πTC=1/6.28=0.159Hz若FL=0.01Hz，则TC=1/2πFL=1/0.0628=15.9若FL=0.05Hz，则TC=1/2πFL=1/0.314=3.18若FL=0.1Hz，则TC=1/2πFL=1/0.628=1.59ERP晚成分一般应取FL=0.01Hz，最多取0.05，见上图。•易犯的错误：①off-line进行不必要的数字滤波(digitalfilter)。②on-line进行陷波(Notch)。③低端不够低。（四）数字滤波：一般不用。用于陷波去50周干扰，或只留慢波等特殊情况。（五）A/D转换精度―ERP的波幅分辨率。举例说明。A/D转换卡Analogtodigitalconverter采样分辨率≥12bit（位）,输入电压范围=±5V.超过者视为±5V而失真.12bit意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095个等级,每个等级10V÷4095=2.442mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率=2.442mV÷20000=0.1221μV.即0.1221μV的脑电变化就测不出来。为提高脑电分辨率，根据上列公式，可以[1]提高采样分辨率，现已多用14bit，每个等级10V÷16383=0.61mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0305μV.[2]在可能的范围内增大Ad。若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷20000=0.0306μV.若Ad=40000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV÷40000=0.0153μV.例如,有5μV的脑电信号.若基线为15μV,则处于20μV的位置，放大后不得超过5V，则最多只能放大5V/20μV=250,000倍因为20μV×250,000=5V，已达极限值.若基线为0μV,则处于5μV的位置最多可放大5V/5μV=1,000,000倍因为5μV×1,000,000=5V，才达极限值.为了增大放大倍数Ad，应调节脑电基线接近零，以便进一步充分放大脑电信号,又不致超出±5伏的采样范围。调节脑电基线接近零可防止不必要的失真。例如脑电50μV，基线200μV，共250μV，放大30000倍后脑电成为7.5V，溢出的2.5V被削顶失真。若基线为0，则50μV放大30000倍为1.5V，正常。（六）A/D转换速度（采样速度）―ERP的时间分辨率在A/D转换精度足够的情况下，A/D转换速度，即采样速度决定着ERP的波幅精度与ERP的时间分辨率（见图）。ERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动的测量，而不是像PET、fMRI、光成像那样只是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已可达到微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40μs。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率≤0.5ms。总采样频率=（频率/导）*导数。减少导数则时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点数应等于或大于128点。•理论上，A/D转换精度与采样速度的设置应该同时考虑，做到匹配，否则将达不到设置精度，造成浪费。因为，如果采样速度过快，两点间时间过短，其间的电位变化小，受转换精度限制不能显出差异；如果采样速度过慢，两点间时间过长，其间的电位变化大，转换了几个等级才采一次，高转换精度产生的电位差不能被采到。实用中，A/D转换精度是由硬件固定了的，我们要根据所观察波形的疏密程度设置采样速度。（七）排除伪迹与校正伪迹：CNT文件。例如EOG。（1）排除EOG的基本原理：（2）易犯的错误：采用新的PCA、ICA方法进行EOGrejection，甚至电极帽没有EOG双极导联，只能用PCA方法排除EOG（厂家问题）（一）国际10-20系统•双耳孔间依10%与20%定出5个点；•鼻根与枕骨粗隆间经Cz依20%定出2个新点；•双侧T3与T4、前后距鼻根与枕骨粗隆10%处，共4点连线成一周，按20%定出8个新点；•空间等距距离地定出4个点，有效电极共19个点。•再加两个耳垂参考电极，共21个点。四、导联方法（二）单极导联与双极导联（三）多导与定位1、头颅形状、大小差异的解决。2、偶极子溯源。（四）参考电极问题单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位，各导的电位都是与它的电位相减的结果。理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位，但是人体是一个容积导体，生物电无处不在，无时不变，这样，理想的参考电极应放在无限远处，其生物电为零，各有效电极的电位不受生物电影响，相互间具有绝对的可比性，但这样的部位是不存在的。在过去生物电研究的100年间，关于参考电极的争论从来没有停止过，是目前仍无结论的问题。参考电极的设置显然对数据有明显影响，因此这是一个重要的问题。这里仅简单讨论几种常用的脑电参考电极设置。1、双耳参考：将双侧乳突或耳垂连接作参考电极。由于乳突或耳垂的脑电一般较小，较符合要求，而且以其连接所得的平均电位作参考，与两半球距离相同，不会造成脑的两半球电位关系的失真，故曾经长期成为经典方法使用。其优点还有，由心脏中的偶极子产生的体表电流会循环流过头部，从而在脑电电极处引起虚假的电位变化。由于双耳间的低阻通路会短路心电电流，从而阻止其在头部的流动，因此连接双耳作参考点可减少ECG干扰。但双耳电位在脑的活动中也在不断变化，且二只耳的电位未必相同，因此这种强制双耳电位相同的做法实为局部短路，会扭曲脑电源在头表产生的电位分布。且不能测量乳突附近的脑电变化，如MMN。该法现已过时。2、鼻尖参考：将参考电极放在鼻尖。由于双耳参考法不能观察乳突附近脑源的活动，而有的脑电如听觉MMN的一个源恰在乳突附近，所以在研究源位于乳突附近的脑电活动时，常常将参考电极放置在鼻尖。3、平均参考：在用普通参考电极记录EEG后，求出全部记录点的平均值a，以各记录值减去该平均值后的差值作为实际的脑电数据。其目的在于消除原始记录中的参考电极电位变化所形成的误差。依据是，假设人脑和颅骨是均匀的圆球体，球体表面均匀放置足够的记录电极，偶极子位于球心。此时脑电源形成的全部电极点的固有电位的和应该为零，当然平均值Vi=0。由于实际记录时必须设置参考电极，各点皆从固有电位中减去了参考电极点的固有电位x（这是脑电差动式放大器放大EEG的必然结果），所以全部各点记录值的平均值变成了Vi–x，这个值就是上述a，即a=Vi–x=–x，x=–a。拟恢复为固有电位，应每点皆加参考电极点固有电位x，即减a，所以上述做法是正确的。该法的优点是可以排除记录电位所受到的参考电极点电位的影响，得到固有值。其缺点在于它是基于理想的头颅条件计算出来的，与真实情况相差很大，因此它所带来的误差是不容忽视的。4、单耳参考：目前较好的方法是以一只乳突/耳垂为参考进行记录，然后再转换为双乳突/耳垂为参考之值。该法既具有上述双耳参考之基本优点，又避免了物理连接造成的电位分布失真，故成为目前常用的方法。建议统一采用左乳突作为参考电极记录。由于两只参考电极在原帽子内已连在一起，故此时要将另一只参考电极应该闲置。将一枚有效电极改连在右乳突上，可取一只无用的电极（例如耷拉在帽子外的未用电极或HEOG电极等）贴在右乳突上，使成单极导联。记录后，各有效电极的ERP值皆减右乳突ERP值之半，即得两乳突连线作参考之ERP值，因为两乳突连线作参考实为各点皆减其均值，现其均值即是左乳突ERP值加右乳突ERP值之半。证明1：设作参考的左乳突ML的固有电位为