脑电信号处理与提取总结
脑电信号处理与提取总结
脑电信号处理与提取是神经科学领域的重要研究方向，涉及脑电的神经起源、测量技术、诱发电位和事件相关电位等多个方面。本文将从脑电的神经起源和测量开始，详细介绍脑电信号处理与提取的相关知识。
1.脑电的神经起源和测量
1.1脑电的神经起源
脑电信号的神经起源：脑电图（EEG）记录的是头皮表面大脑神经元产生的电活动，主要来源于大脑皮层大量神经元的同步突触活动，尤其是锥体细胞的贡献。
脑电信号的类型：脑电信号主要有两种类型，即动作电位和突触后电位。动作电位是短暂的局部电流，而突触后电位则是由神经递质与受体结合引起的，持续时间更长，是脑电活动的主要来源。
容积传导：脑电信号在头皮上的测量受到容积传导的影响，即电流偶极子通过大脑组织传导至头皮，导致头皮上测量到的电压波动是多个场电位源共同活动的结果。
源估计问题：确定头皮表面测量到的电压波动的神经源是一个挑战，因为一个给定的头皮电压分布可以由无限个神经源产生，这被称为不适定或欠定问题。
脑电图、皮层脑电图和局部场电位：EEG、ECoG和LFP是三种不同的大脑电活动记录技术。EEG电极放置于头皮上，ECoG电极置于大脑皮层表面或硬脑膜上，而LFP/MUR电极则置于大脑皮层内部。EEG和ECoG主要记录皮层相对表层的电活动，而LFP则记录大脑深层的电活动。
技术特点与应用：EEG是广泛应用的技术，但信号可能因容积传导而失真。ECoG提供更清晰的信号，因为它直接从皮层表面记录。LFP具有高空间分辨率，可以记录小神经元群体的电活动，并且可以推断细胞内的电活动变化。
信号处理与特征提取：在脑电信号处理中，可以通过插值等方法提高数据质量，并且由于脑电空间模糊效应，电极数目的增加在达到一定数量后，对信息的增加有限。
1.2脑电测量
脑电测量系统组成：脑电数据采集系统主要由电极、带滤波器的放大器、模数转换器（ADC）和数据记录电脑组成。电极用于记录电压信号，放大器将信号放大至适当范围，ADC将模拟信号转换为数字信号，最后由电脑存储数据。
电极类型与作用：电极分为活动电极、参考电极和接地电极。活动电极记录电活动，参考电极提供比较基准，接地电极用于降低噪声。银-氯化银电极（Ag-AgCl）因其良好的导电性能而被广泛使用。
电极数量与位置：脑电研究中通常使用多个活动电极来提高空间分辨率。电极数量的选择取决于实验需求和头皮记录的空间分频率。国际10-20系统为电极位置提供了标准化方案。
导电介质与阻抗：导电膏和生理盐水是常用的导电介质，用于降低电极与头皮之间的接触阻抗。阻抗应控制在10kΩ以下，以减少信号失真。
放大器与转换器：放大器负责接收和放大电极信号，模数转换器将模拟信号转换为数字信号。放大器应具备高共模抑制比和高输入阻抗，以提高信号质量和减少噪声。
滤波器：放大器中包含模拟滤波器，用于减少生物伪迹和噪声。数字滤波器在数据存储后用于提高信噪比，有限脉冲响应（FIR）滤波器因其不扭曲相位而受到推荐。
采样率与分辨率：采样率应至少是最高感兴趣频率的两倍，以避免混叠。模数转换器的分辨率至少应为12位，以区分4096个数值，更高分辨率可提供更好的数据质量。
数字滤波与模拟滤波：数字滤波器通常优于模拟滤波器，因为它们可以提供更精确的控制和更高的灵活性。离线数字滤波在提高数据质量方面更为有效。
伪迹的分类与处理：
- 伪迹分为与被试相关的（如肌电、心电、身体运动、眼球运动和出汗引起的）和与技术相关的（如工频干扰、阻抗波动、电极移动、脑电膏过多和电池电量不足引起的）。
- 瞬态伪迹可以通过伪迹拒绝（artifact rejection）直接从数据中剔除。
- 稳定伪迹可以通过伪迹校正（artifact correction）技术，如独立成分分析，来估计和去除。
记录环境的建议：
- 使用屏蔽室减少环境电噪声，如工频干扰。
- 保持电子设备远离屏蔽区域，使用主动电极系统可以降低电噪声。
- 推荐使用直流供电灯，如电池供电的LED灯，以降低电噪声。
- 控制数据采集室的温度，使用空调，并尽可能使用消声室来屏蔽声音噪声。
脑电记录系统参数的建议：
- 推荐使用银-氯化银盘式电极，干电极作为替代材料。
- 推荐32~64个活动电极，具体数量根据研究需求调整。
- 推荐使用国际10-20系统进行电极排布。
- 任何位置的电极都可以作为参考电极，但应选择研究领域普遍认可的电极。
- 放大器应具有高输入阻抗和高共模抑制比，模数转换器应具有高电压分辨率。
- 模拟滤波器的使用应根据模数转换器的分辨率来决定，推荐使用高通滤波器。
- 采样率推荐在250~1000Hz之间。
被试的参与和激励：
- 选择具有代表性的被试群体，确保被试在实验过程中保持放松和专注。
- 与被试进行良好的交谈，强调实验要求和注意事项。
- 合理设置实验区组的长度，每个区组57分钟，中间设置12分钟的休息时间。
- 巧妙地设置被试费，与被试的实验表现挂钩，以激励被试更好地完成任务。
2.脑电、诱发电位和事件相关电位
2.1自发性脑电活动
定义与应用：自发性脑电活动是指大脑在没有外界刺激的情况下产生的电活动，这种活动在广泛的频率范围内占主导地位，并且具有特定的波形特征。它在临床上被用于诊断癫痫、昏迷和脑死亡等疾病。
频段分类
