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1、EEGEEG信号基础剖析信号基础剖析大脑的外部环境大脑的外部环境v人的大脑位于颅腔内，大脑分为左右两半球v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v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v血脑屏障(blood brain barrier) v血脑脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier) v脑脊液脑屏障 (brain cere
2、brospinal fluid barrier) 大脑的结构大脑的结构 v人的大脑人的大脑(Brain)包括左、右两个半球及连接两个半包括左、右两个半球及连接两个半球的部分。球的部分。v大脑半球大脑半球被覆灰质，称大脑皮质，其深部为白质，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，或称为髓质。大脑两半球间由巨束纤维（胼胝体，corpus callosum）相连。）相连。v 脑主要包括脑主要包括大脑大脑、间脑间脑、小脑小脑、中脑中脑、脑桥脑桥及及延髓延髓等六个部分。等六个部分。 1脑的表面结构 2大脑皮层功能分区 脑电的产生与测量v在大脑活动时，大脑外层皮质细
3、胞所产生的生物电将随时间和空间出现变化v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）。v头皮电极测量的电势差变化是大量脑细胞叠加的结果。+ _+_活活动动位置位置参考位置参考位置双极双极脑电记录+ _+_记录两个活两个活动位置位置电位的差位的差电极的安放：10-20导联系统更多的导联系统如何放置电极v皮下针电极：医院用于诱发电位等的检测v表面湿电极：带电极帽，电极灌注导电膏v表面干电极：带电极帽脑电波的分类脑电波的分类v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。v诱发脑电：如果给机体以某种刺激后经过一定的潜
4、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。自发脑电波形自发脑电波形v波：频率为1-3.5Hz，振幅为20-200V，在睡眠、深度麻醉、缺氧或大脑有器质性病变时出现。v波：频率为4-7Hz，振幅约为10-50V，在困倦时，中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形。 v波：频率8-13Hz，振幅20-100V，可在头的枕部检测到，它是节律性脑电波中最明显的波。 v波：波频率约为1330Hz，振幅约为5-20V,是一种快波，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normal signaltheta bandalpha bandbeta ba
5、ndgamma band0 1000 Hz4 8 Hz13 30 Hz8 12 Hz30 100 Hz诱发电位诱发电位v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。v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+ _+_strobe light flashes, elicits evoked potential
6、+EEG:+EPEEG=“single trial”诱发电位记录原理 皮层诱发电位的反应v特异性反应：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) 。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。v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v
7、视觉诱发电位视觉诱发电位(pattern reversal visual evoked potential，PR-VEP),v脑干听觉诱发电位脑干听觉诱发电位(brain stem auditory evoked potential，BAEP)v体感诱发电位体感诱发电位(somatosensory evoked potential，SEP)。 v诱发电位幅值较小，完全淹没在自发脑电信号中，一般要采诱发电位幅值较小，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。用叠加平均处理提高信噪比。v用途：特异性反应可在功能上判断病变部位、病变程度。非用途：特异性反应可在功能上判断病变部位、病
8、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。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下肢体感诱发电位示意vCEp:马尾电位vLP:腰脊髓电位vP40:I级皮层原发反应vLP-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
9、的比较事件相关电位事件相关电位(ERP)v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。v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。v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对对ERP的淹没与叠的淹没与叠加基本原理加基本原理心理生理心理生理临床应用临床应用特因条件特因条件功能评估功能评估注意、记忆、语言加注意、记忆、语言加工、知觉、意识等工、知觉、意识等神经精神科、昏迷愈神经
10、精神科、昏迷愈后、辅助诊断等后、辅助诊断等航空、航天、航海、航空、航天、航海、恶劣环境条件等恶劣环境条件等智能评估、音乐认知智能评估、音乐认知能力、健康评估等能力、健康评估等事件相关电位（事件相关电位（ERP）的研究应用）的研究应用脑电信号的特点v幅度：0.1 100 Vv频带频带: 0.5 3000 Hz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v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v高放大倍数高放大
11、倍数v高输入阻抗高输入阻抗v低噪声低噪声v适当的通频带适当的通频带v高共模抑制比高共模抑制比v低漂移低漂移脑电信号放大器的设计考虑v生物电放大器的形式（差分放大器）生物电放大器的形式（差分放大器）v生物电放大器的增益设置（多级放大）生物电放大器的增益设置（多级放大）v电极电位的考虑：采用卤化银电极，其次采电极电位的考虑：采用卤化银电极，其次采用金或铜电极用金或铜电极v干扰的抑制干扰的抑制屏蔽线驱动：抑制共模干扰屏蔽线驱动：抑制共模干扰右腿驱动：抑制共模干扰右腿驱动：抑制共模干扰滤波滤波v电气隔离电气隔离前置放大器v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
12、。v电路中的R1常被用来调节增益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总增益：Gd=Gd1Gd2，仪器放大器instrumentation amplifierv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。 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
13、18 V)vHigher Performance than Three Op Amp IA DesignsvLow Power, 1.3 mA max Supply Current电极引线中也会感应工频干扰 v降低电极阻抗Z2 和Z1v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- = id2 Z2 id1 Z1= id (Z2 Z1)屏蔽线驱动 v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
14、驱动。右腿驱动电路 vD1和D2组成的电路的共模增益为1，在a、b处的共模信号Vc与被测体上的共模信号Vc相等，Vc=Vc。Vc=idbRo+Vo则： 右腿驱动电路 v直接接地Vc=idbRGv使用右腿驱动可使共模干扰减少（1+2Rf /Ra）倍。nRo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10A以下，因此Ro的存在也会抵消右腿驱动电路的作用。 滤波v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）。v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。v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
15、器进行数字滤波。0.11101001k10k100k1M10M100M1G/Hz5050EEGEMGEOGENGERGPCGSEPAEPECGVEP50Hz50Hz工频干扰工频干扰工频干扰工频干扰雷电雷电雷电雷电电刷火花电刷火花电刷火花电刷火花灯管放电灯管放电灯管放电灯管放电无线电无线电无线电无线电宇宙射线宇宙射线宇宙射线宇宙射线医用遥测医用遥测医用遥测医用遥测高频治疗高频治疗高频治疗高频治疗/ /电刀电刀电刀电刀/ /电疗电疗电疗电疗信号及干扰源的频率分布信号及干扰源的频率分布信号及干扰源的频率分布信号及干扰源的频率分布ENG electronystagmography眼球震颤电流描记 PC
16、G phonocardiogram心音图AEP auditory evoked potential 听觉激发电位 SEP somatosensory evoked potential身体感觉激发电位基线漂移与高通滤波基线漂移与高通滤波-波形波形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-频谱电气隔离电气隔离 目的：保证病人安全v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。v电气隔离：信号通路隔离+电源供应隔离。 信号通
17、路电气隔离的方式v变压器隔离v电容隔离v光电隔离信号调制（500kHz）隔离器件同步解调配对光电管隔离v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v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
18、，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v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v有可能同时使用除颤器或电刀等设备，这会在电极之间形成高压冲击，造成仪器设备的破坏。所以，生物电放大器还需对此有保护，除了保护设备以外，也间接对病人提供保护，因为仪器的输入级受损后有可能会产生有害的电流。 v限压和限流器件生物电放大器的技术指标v共模抑
19、制比v频率响应v时间常数v灵敏度(增益)v噪声v输入阻抗共模抑制比共模抑制比v可表示为CMRR=Ad/Acm，其中Ad为系统总的差模增益，Acm为系统总的共模增益。共模抑制比常用分贝（dB）表示，即CMRR=20lg(Ad/Acm)，该值体现了仪器的抗共模干扰的能力。一般脑电图机和心电图机的共模抑制比至少要求为80dB，现在一般都能做到100dB以上。 时间常数时间常数v时间常数反映的是仪器的低频截止频率（时间常数反映的是仪器的低频截止频率（fL），由），由于频率低的信号要几秒钟、甚至十几秒才一周，难于频率低的信号要几秒钟、甚至十几秒才一周，难以测定，实际测定时是将生物电测量系统的低频特以测定
20、，实际测定时是将生物电测量系统的低频特性看作一阶高通，用记录一个标准的阶跃信号幅度性看作一阶高通，用记录一个标准的阶跃信号幅度下降到下降到=37%时所需的时间（时所需的时间（t）来反映）来反映fL，v如截止频率如截止频率fL=0.1Hz时，时，t=1.6秒；秒； fL=0.5Hz时，时，t=0.32秒；秒； fL=1Hz时，时，t=0.16秒。秒。噪声v放大器的噪声一般是指在输出端测得的、折合到输入端的噪声幅度。通常是在输入端为0电平时（输入接地）测量输出端的噪声峰峰值或有效值，除以放大器的增益极为放大器的噪声。噪声与放大器的通频带大小有关。选用噪声小的前置放大器，可以做到在0.5- 100H
21、z 范围内噪声小于lV p-p。输入阻抗v输入阻抗应该至少是信号源内阻的10倍以上。由于提高输入阻抗有利于提高信噪比，很多生物电放大器能够将输入阻抗做到100M。v由于微电极阻抗可达540M，微电极前置放大器的输入阻抗应大于1000 M。脑电信号采集系统信号采集（A/D转换）vADC中的两个主要过程：采样量化。v将连续的模拟信号转换成离散的数字信号有可能会造成一定的失真和误差，信号采集必须将这种失真和误差控制在适当的范围之内v与信号调理有关的主要考虑采样频率和量化误差。 采样的时间间隔v采样是指每隔T秒所记录的x(t) 的幅值。设x(t)是模拟信号，将采集到的幅值用x(kT)表示，其中k表示数
22、据序列中的采样位置，k=0,1,N-1，（N是数据序列总的采样数）。T称为采样间隔，采样率为1/T（Hz）。 采样定理v采样率必须符合相农(Shannon)采样定理，即对于连续信号f(t)，采样频率fs必须大于或等于信号的最大频率fmax的两倍，即fs2fmax。fs/2称为纳奎斯特频率（Nyquist frequency）。 v由于在实际的生物电信号检测分析中，信号中往往混有高频噪声，需要用低通滤波器滤除信号中的高频成分以保证没有高于纳奎斯特频率的成分，而且采样频率一般取信号最高频率的3-5倍，甚至10倍。 采样率过低造成的信号失真量化和量化误差 v量化就是用有限长度的二进制数来逼近离散的模
23、拟信号v由于量化的结果是把尾数按四舍五入处理，对于有m位、输入电压范围是Vmax的A/D转换器，有0至2m-1共2m个等级，每个等级的增量为=Vmax/2m-1，那么，量化的最大误差就是emax(nT)= /2。 当输入信号的电压范围为当输入信号的电压范围为10V10V，8 8位位A/DA/D转换器的分辨率是：转换器的分辨率是：量化中的信噪比v即输入信号幅度与量化噪声的有效值之比。v在A/D的位数确定的情况下，使输入信号的幅值尽可能接近A/D的输入范围Vmax，就可能获得尽可能大的信噪比。这就是为什么需要根据采样的要求来确定生物电放大器的增益。24位ADC，如果Vmax=10V，则=Vmax/
24、2m-1=0.6V。v它能它能够给我我们带来什么？来什么？采集系统设计注意事项vADC(模数转换模块)的转换频率要高于放大器通带上限截止频率的两倍以上，一般5-10倍。vADC的精度位数一般有两位损失，因此要结合具体应用选择放大器的倍数与ADC位数。ADC位数+/-100mV+/-10mV+/-1mV+/-100uV+/-10uV120.196mV19.6uV1.96uV0.196uV19.6nV.1612.2uV1.22uV0.122V12.2nV1.22nV2448nV4.8nV0.48nV0.048nV0.0048nV在不同输入电压范围和在不同输入电压范围和ADC位数精度组合下采集系统最小识别电位位数精度组合下采集系统最小识别电位结束结束
