第一讲 EEG信号基础

第一讲EEG信号基础主讲人：谢宏信息工程学院大脑的外部环境人的大脑位于颅腔内，大脑分为左右两半球脑组织外的颅骨、脑膜、血管、脑脊液和血-脑屏障等构成了脑的物理、化学环境正是这些理化环境的相对稳定才保证了脑的正常生理功能1．脑膜(meninges)：硬膜(或称韧膜)、蛛网膜和软膜3层组成。2．脑脊液脑脊液是一种比重低而清晰的液体，含有较多的电解质(氯化纳、氯化钾、氯化钙等)，及少量的蛋白质和葡萄糖。3．脑屏障血—脑屏障(bloodbrainbarrier)血—脑脊液屏障(bloodcerebrospinalfluidbarrier)脑脊液—脑屏障(braincerebrospinalfluidbarrier)大脑的结构人的大脑(Brain)包括左、右两个半球及连接两个半球的部分。大脑半球被覆灰质，称大脑皮质，其深部为白质，或称为髓质。大脑两半球间由巨束纤维（胼胝体，corpuscallosum）相连。脑主要包括大脑、间脑、小脑、中脑、脑桥及延髓等六个部分。原始分区再分区主要部位功能前脑端脑嗅脑rhinencephalon嗅觉中枢forebrain（大脑）基底神经节basalganglia运动控制cerebrum大脑皮层cerebrumcortex高级功能间脑diencephalon丘脑thalamus感觉传入冲动传向大脑皮质的中继站，粗浅感觉分析下丘脑hypothalamus调节内脏活动神经垂体posteriorpituitary神经内分泌功能松果体pinealbody内分泌腺，褪黑素中脑midbrain中脑中脑视觉中枢，网状激活系统，内脏调节菱脑后脑（小脑）小脑调节躯体运动、随意运动hindbraincerebellum脑桥pons网状激活系统，内脏控制髓脑myelencephalon延髓medullaoblongata基本生命中枢，感觉核，网状激活系统原始神经管神经管脊髓spinalcord低位中枢，基本反射活动神经嵴外周神经节神经通路或换元1．脑的表面结构2．大脑皮层功能分区脑电的产生与测量在大脑活动时，大脑外层皮质细胞所产生的生物电将随时间和空间出现变化用置于头皮表面的电极探测各点的电势差随时间的变化（EEG）。头皮电极测量的电势差变化是大量脑细胞叠加的结果。单极脑电记录+_vo+_活动位置参考位置双极脑电记录+_vo+_记录两个活动位置电位的差电极的安放：10-20导联系统更多的导联系统如何放置电极皮下针电极：医院用于诱发电位等的检测表面湿电极：带电极帽，电极灌注导电膏表面干电极：带电极帽脑电波的分类自发脑电：人的大脑皮层有自发的电活动，其电位随时间发生变化，用电极将这种电位波形提取出来并加以记录就可以得到脑电图。诱发脑电：如果给机体以某种刺激后经过一定的潜伏期，在脑的特定区域出现的电位反应，其特点是诱发电位与刺激信号之间有严格的时间关系。自发脑电波形δ波：频率为1-3.5Hz，振幅为20-200μV，在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现。θ波：频率为4-7Hz，振幅约为10-50μV，在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。α波：频率8-13Hz，振幅20-100μV，可在头的枕部检测到，它是节律性脑电波中最明显的波。β波：β波频率约为13—30Hz，振幅约为5-20μV,是一种快波，β波的出现一般意味着大脑比较兴奋。自发脑电的时域与频域波形normalsignalthetabandalphabandbetabandgammaband0–1000Hz4–8Hz13–30Hz8–12Hz30–100Hz诱发电位定义：分别采用脉冲电流、闪光或变化的图象、连续声音作为刺激源诱发的神经动作电位或突触后电位。诱发电位特征有一定潜伏期，潜伏期长短取决于刺激部位与记录部位的距离、神经冲动传导速度、传导通路中神经元突触的数目等。由于感觉特异性投射系统有特定的传入通路和皮层代表区，不同种类的诱发电位有特定的局限性和空间分布。不同种类的诱发电位有一定的反应形式，并具有可重复性。诱发电位记录示意图+_vo+_strobelightflashes,elicitsevokedpotential+EEG:vo:+EPEEG=“singletrial”诱发电位记录原理皮层诱发电位的反应特异性反应：①原发性特异反应：指刺激特定感受器后，从皮层一级感觉接受区记录到的诱发电位。潜伏期和波幅除受刺激的物理参数的影响外，很少受意识影响。波形多保持一致，没有习惯化(多次重复刺激后反应强度减弱)。②继发性特异性反应：指从一级感觉区附近的皮层区记录到的诱发电位，出现于原发性特异性反应之后的继发波形。这些反应经多次反复刺激后，很快产生习惯化。非特异性反应为广泛的皮层区对刺激的反应，不论其感觉刺激的形式如何，都可获得同样的反应，它们广泛分布于额及颞区，受意识影响。临床上用于神经心理学检测。常用的诱发电位视觉诱发电位(patternreversalvisualevokedpotential，PR-VEP),脑干听觉诱发电位(brainstemauditoryevokedpotential，BAEP)体感诱发电位(somatosensoryevokedpotential，SEP)。诱发电位幅值较小，完全淹没在自发脑电信号中，一般要采用叠加平均处理提高信噪比。用途：特异性反应可在功能上判断病变部位、病变程度。非特异性反应可显示心理活动过程的部分阶段，了解心理疾患动因。上肢体感诱发电位示意N9：臂丛电位N13：颈髓后角P15:内侧丘系/背侧丘脑N20:体感皮层I区原发反应N9-N13:脊神经后根传导N13-N20:中枢传导时间P15-N20:丘脑顶叶束传导时间P25-P45：继发反应下肢体感诱发电位示意CEp:马尾电位LP:腰脊髓电位P40:I级皮层原发反应LP-P40:中枢传导时间视觉诱发电位导联对应的视觉皮层视觉诱发电位听觉诱发电位记录导联与听觉传导通路脑干听觉诱发电位（BAEP）脑电图与脑诱发电位的比较事件相关电位(ERP)诱发电位（EP）的定义：当外加一种特定的刺激作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区所引起的电位变化。事件相关电位（ERP）的定义：当外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，或/和当某种心理因素出现时在脑区所产生的电位变化。特性：被自发脑电淹没，约2微伏~10微伏。两个恒定：潜伏期、波形。EEG对ERP的淹没与叠加基本原理心理生理临床应用特因条件功能评估注意、记忆、语言加工、知觉、意识等神经精神科、昏迷愈后、辅助诊断等航空、航天、航海、恶劣环境条件等智能评估、音乐认知能力、健康评估等事件相关电位（ERP）的研究应用脑电信号的特点幅度：0.1~100V频带:0.5~3000Hz•干扰信号：眼电干扰、肌电干扰、工频干扰、环境电磁噪声干扰、基线漂移等•信号源的内阻大，且具有时变性工频共模干扰在进行生物电测量时，被测体（通常是人体）受到电网形成的交流电场的作用，会在人体上产生交流电位，这个电位在体表各部分是相同的，是一个共模干扰脑电信号放大器的性能要求高放大倍数高输入阻抗低噪声适当的通频带高共模抑制比低漂移脑电信号放大器的设计考虑生物电放大器的形式（差分放大器）生物电放大器的增益设置（多级放大）电极电位的考虑：采用卤化银电极，其次采用金或铜电极干扰的抑制屏蔽线驱动：抑制共模干扰右腿驱动：抑制共模干扰滤波电气隔离前置放大器总的共模增益Gc为D3组成的差模放大器的共模增益，共模抑制比CMRR=Gd/Gc。电路中的R1常被用来调节增益差分放大器增益：差模增益：Gd1=1+2R2/R1，共模增益：Gc1=1，总增益：Gd=Gd1Gd2，仪器放大器instrumentationamplifier有很多这样的集成电路芯片如AD620，INA118等，可以直接用来作为前置放大器。LowCost,LowPowerInstrumentationAmplifierAD620EASYTOUSEGainSetwithOneExternalResistor(GainRange1to1000)WidePowerSupplyRange(±2.3Vto±18V)HigherPerformancethanThreeOpAmpIADesignsLowPower,1.3mAmaxSupplyCurrent电极引线中也会感应工频干扰降低电极阻抗Z2和Z1降低id，将各引线屏蔽接地。假定：引线1中的电流是id1，引线2中的电流是id2，接地回路的电流=id1+id2因Z1和Z2的不一致而转变为差模电位：V+–V-=id2Z2–id1Z1=id(Z2–Z1)屏蔽线驱动对于共模信号而言，分布电容两端等电位，流过电容的电流Ic=0，相当于阻抗为无穷大，从而消除了屏蔽线分布电容的影响。这种方法称为屏蔽驱动。右腿驱动电路D1和D2组成的电路的共模增益为1，在a、b处的共模信号V’c与被测体上的共模信号Vc相等，Vc=V’c。Vc=idbRo+Vo则：cafcVR2RoRVdbi右腿驱动电路直接接地Vc=idbRG使用右腿驱动可使共模干扰减少（1+2Rf/Ra）倍。afocR2R1RVdbiRo是一个比较大的值，它的作用是在D5饱和时流过人体的电流仍是安全的，如10A以下，因此Ro的存在也会抵消右腿驱动电路的作用。滤波根据信号感兴趣的频段设计滤波器，可以使用低通滤波器抑制高频，高通滤波器抑制低频（如基线漂移）。如果有用信号的频段包括工频时，可采用工频陷波器来抑制工频干扰。为了提高滤波性能，也可以在转换成数字信号以后采用高阶滤波器进行数字滤波。0.11101001k10k100k1M10M100M1G/Hz50EEGEMGEOGENGERGPCGSEPAEPECGVEP50Hz工频干扰雷电电刷火花灯管放电无线电宇宙射线医用遥测高频治疗/电刀/电疗信号及干扰源的频率分布ENGelectronystagmography眼球震颤电流描记PCGphonocardiogram心音图AEPauditoryevokedpotential听觉激发电位SEPsomatosensoryevokedpotential身体感觉激发电位基线漂移与高通滤波-波形[B,A]=ellip(4,0.5,20,0.5*2/200,'high')y=filter(B,A,x)基线漂移与高通滤波-频谱电气隔离目的：保证病人安全当人体因漏电等原因与市电（如220V）接触，由于仪器与病人相连的应用部分是与仪器使用市电的电路部分电气隔离的，电流i不能构成回路，因此病人是安全的。电气隔离：信号通路隔离+电源供应隔离。信号通路电气隔离的方式变压器隔离电容隔离光电隔离信号调制（500kHz）隔离器件同步解调配对光电管隔离输入运放A1上的发光二极管CR1和光电二极管CR2组成负反馈，所以i1=vi/RG。两个光电二极管是配对的，产生相同的光电效应，i2=i1=ii。运放A2实际上是一个电流–电压转换器，vout=i2RK，所以，vout=viRK/RG。电路的线性仅取决于光电二极管的一致性。DC-DC转换器注意两个运放的供电是不同的，V由一电源直接供电，而V‘一般是由V通过DC-DC转换器提供的。转换器实际上是将一起电源提供的直流电斩波成400到900kHz的方波，通过变压器线圈后再整流成直流电提供给隔离部分，V和V’之间的电能是靠磁场传递的，没有直接的电气连接，两者的接地也是没有连接的。DC-DCV’+V’-V+数字电路的隔离以上信号通路的电气隔离都是在模拟部分进行，实际上随着元器件的集成度提高和耗电量的减少，可以将光电隔离放在A/D转换之后，也即对各总线进行隔离。由于仅有0、1两种状态，光电转换就没有线性问题。对放大器前级的控制也更加方便。高电压保护有可能同时使用除颤器或