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脑电采集理论基础
1 大脑信号的采集方式
1.1侵入式技术
侵入式技术一般用于采集单个神经元的电位信号，往往需要在外科手术的帮助下完成。一般过程为：移除部分颅骨，植入电极，复原颅骨。一般仅用在猴、老鼠等实验性动物上，或者需要做脑外科手术的病人上。
1)细胞外记录：是使用最多的侵入式技术。将微电极植入脑部目标区域，并调整电极位置，使其非常贴近某个细胞，以采集锋电位引起的电压波动。微电极通常使用极细的金属导体或其他材料导体。
2)四极管和多电极阵列：将四根导线绑在一起，通过神经元到四个电极的距离可以唯一确定神经元位置，这就可以同时记录多个神经元信号。多电极阵列即将微电极组成网络，相较于单电极提高了空间分辨率。
3)皮质脑电图( ECoG)：通过颅骨手术将电极置于大脑表面来记录脑波信号。ECoG一般只在临床使用，例如，监测术后癫痫的发病[1]。
4)光学记录：利用电压敏感染料( VSDI)和成像技术以高时空分辨率对神经元点活动进行可视化[2]。
1.2非侵入式技术
1)脑电图( EEG)：EEG也是用电极来传递大脑信号，但这种方法不需要将电极植入，只需将电极安放于干净的头皮即可。EEG信号反映了大量的神经元产生的突触后电位的叠加。
2)脑磁图( MEG)：利用仪器设备例如超导量子干涉仪( SQUID)[3]测量脑电产生的磁场。
3)功能性磁共振成像( fMRI)：人体大脑在响应某种指令时，神经元的活动会变得强烈，使得血流量发生变化。测量血流量变化即可反映脑电信息。
4)功能性近红外成像( fNIR)：同fMRI类似，但fNIR是测量血氧水平变化，也属于间接测量。
5)正电子发射断层成像( PET)：通过检测人体的代谢来间接判断大脑活动。
综上，非侵入式技术中EEG方式时间分辨率高，仅在毫秒范围内。同时，实验环境及设备要求简单，对人体几乎无损伤，本方案采用EEG技术采集脑电信号。
2 脑电信号的分类与特点
大脑神经元主要依靠电信号通信。这种电信号具体体现为峰电位。神经元受到外界刺激后，其膜电位会经历两个过程：先快速上升，再快速下降，类似脉冲信号。这两个过程所刻画的现象即为峰电位[4]。因此，这种电位特征即脑波可作为大脑活动的映射。
脑波存在多种频段，并且快慢不一。脑波分为5类：δ波、θ波、α波、β波、γ波。具体定义如下[5]：
①δ波：频率范围在0.5-3.5Hz。δ波在时域上的振幅很大，但变化缓慢，在婴儿中比较常见。成人在深度睡眠时也可能产生，此时一般是经历了某些活动(例如，睡眠剥夺[6])后导致身心疲惫，正在对自身进行修复。
②θ波：频率范围在4-8Hz。θ波一般在人困倦或相当放松的情况下产生，比如，我们常说的”半梦半醒之间”，在心理和精神上呈现极度松弛的状态。
③α波：频率范围在8-12Hz。α波与舒适惬意的状态有关。在该频段的前半部分，大脑就像一辆处于发动状态下的汽车，尚未正式开始行驶，却又时刻等待着司机踩下油门。人们在闭眼后，想象一些平静的、放松的画面，半分钟内，α波的成分就会开始变多。α波在头后部的三分之一处最为显著。
④β波：频率范围在13-30Hz。与前三种脑波相比，β波幅度相对更小，变化相对更快，反映了相对较强的心理活动，同时，注意力也更集中了。这种状态下人们常常是精神饱满、跃跃欲试的。处于该频段的前半部分的一些活动，例如，感觉运动节律( SMR)，与注意力的放松程度有关。
⑤γ波：频率范围在30-100Hz。γ波是非常快的EEG信号。当人体的思考量很大，需要集中精力处理来自大脑的不同区域的信息如多感官整合时，或短时间内有很高的记忆要求时，会产生这种脑波。
总之，不同程度意识活动会产生不同频段的脑波。脑电信号存在如下特点：
①幅值小：一般最多为几十微伏[7]。
②干扰源多：脑电信号采集过程中，设备电路将产生一些高频本底噪声；我国还有城市供电产生的50Hz工频干扰；受试者的心电、眼电、肌电等也会引发相应的伪迹。
③频段低：频率在0.5-100Hz，属于低频信号。
④不确定性强：脑电的影响因子太多，各类生理条件又在时刻变化，其背后的规律尚未被完全探知，只能通过统计手段表征和辨识。
3 脑电信号的伪迹
除脑电外，人体自身其他部位的生理活动也会产生电信号。这些信号在人体的各种组织间传播，叠加在本就微弱的脑电信号中，形成伪迹，制约实验结果的精度。常见的伪迹有以下几类：
①眼电( EOG)伪迹：EOG包括眼球转动和眨眼产生的电信号，根据眼球的运动特征，分为水平眼电、垂直眼电和径向眼电[8]。
②肌电( EMG)伪迹：EMG是一种复杂的生物信号，与肌肉的活动程度、机体运动机能和意图相关。脑电中的EMG伪迹主要来自头部，如咀嚼、皱眉等。
③心电( ECG)伪迹：心脏的电活动会产生ECG。ECG虽然具有一定的幅值，但心脏距离头皮很远，ECG传递到头皮处时会有很大的衰减[9]。值得注意的是，心跳是周期性运动，所以ECG信号也带有一定的周期性。
④舌电伪迹：人体的舌头也存在一对电极，正极为舌根，负极为舌尖。嘴巴做出说话、咬合、歌唱等动作就会产生舌电伪迹，所以需要受试者控制自身动作。
⑤皮电伪迹：由于紧张或环境温度的原因，当受试对象出汗时，皮肤的阻抗会发生变化，导致脑电图混入皮电伪迹，此类伪迹变化很缓慢，频率极低，影响很小，可用适当的滤波去除。
综上，伪迹的成因与种类繁多，但主要为眼电和肌电伪迹，它们难以在采集过程中直接去除，所以需要对采集到的信号进行伪迹去除，以便进行后续的特征提取和识别等操作。
4 EEG导联
记录 信号时，电极与线缆组成脑电信号传入电路的方式称为导联。根据有无参考电极，可分为单极和双极接法，如图1所示。若采用单极接法，应将参考电极放在耳廓下部，认为其电势为零，将采集电极放头部表面，直接获取脑波。若采用双极接法，则将两个电极位置都放在头部表面，记录二者的电位差。
; 参考文献
[1] 但炜,薛晓辉,唐文渊,漆新伟,刘福英.不伴癫痫发作的幕上占位病变患者的皮层脑电图特征与术后癫痫的研究[J].第三军医大学学报,2010,32(03):285-287.
[2] GRINVALD A, HILDESHEIM R. VSDI: a new era in functional imaging of cortical dynamics[J]. Nature Reviews Neuroscience, 2004, 5(11):874-885.
[3] PAN Z, WAN Y, TIAN H. Superconducting Quantum Interference Device[J].中国原子能科学研究院年报,2018(00):198-199.
[4] (美)拉杰什·P.N.拉奥(Rajesh, P.N.Rao)著.脑机接口导论[M].北京.机械工业出版社,2016…
[5] HAMMOND, CORYDON D. What is Neurofeedback: An Update[J]. Journal of Neurotherapy, 2011, 15(4):305-336.
[6] 齐建林,董燕,苗丹民,杨征.恢复性睡眠对43h完全睡眠剥夺后任务管理功能影响[J].中国民族民间医药,2009,18(12):21-22.
[7] 魏景汉,罗跃嘉编著.事件相关电位原理与技术[M].北京.科学出版社,2010.
[8] CROFT R J, BARRY R J. Removal of ocular artifact from the EEG: A review[J]. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology, 2000, 30(1):5-19.
[9] PARK H J, JEONG D U, PARK K S. Automated detection and elimination of periodic ECG artifacts in EEG using the energy interval histogram method[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2002, 49(12):1526-1533.
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Author: 城外南风起
Title: 脑电采集理论基础：脑电信号采集方式、分类及特点、伪迹、导联
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