脑电图发展史

* 如果采用8bit的A/D转换器的话，则最大表示数 据为 输入电压范围约为 256 X 0.1uV = 25.6uV 。
高切滤波器（High Cut）
输出电压（振幅）

切除高频成分（比如 肌电）。 ｆ＝１／２πＲＣ
频率
遮挡频率ｆ
入力 输出
低切滤波器（Low Cut）


切除低频成分（如 发汗，分极电压的 变动等）。 ｆ＝１／２πＲＣ
差分放大器可以从噪声中将脑波抽出。
差分放大器可消除杂音
＋
脳波信号 同相杂音
差分放大器
脑波信号
Z
脳波信号 同相杂音
–
同相成分的杂音被抑制、脑波被放大。
差分放大器可从杂音中抽出脑波信号。
模拟脑电图的差分放大
Fp1 A1 Fp2 A2
＋ －
1ch的信号

各导的数据为两个固 定电极间的电位差。
＋
－
2ch的信号
输出电压（振 幅）
低切频率ｆ 输入 输出
频率
时间常数



脑电图经常使用时间常数 （秒）来描述低切滤波器。 对低切滤波器施加一个直 流电压，该直流电压经过 多少时间才衰减完，该时 间常用时间常数来描述。 一般当衰减的电压值等于 输入电压的37%时的时间称 为时间常数。
低切频率与时间常数的关系




该滤波器用于消除电源交流噪声（主要来自电源 插座以及电缆的噪声）。 它只对某一特定的频率进行滤波（中国为50Hz）。 该滤波器在一般的情况下不使用，除非交流杂音 特别明显时才使用。
保存数据的频率范围

时间常数：2秒或者10秒（0.08Hz或者0.016Hz） 高切滤波器：Aliasing滤波器的值（采样频率的1/3） 交流滤波器：OFF


脑电图的诞生
德国的Toennies（1932年）、美国的Grass（1936年） 开发了脑电图的模型。 1936年Grass公司推出的 第一台脑电图（MODEL I）
脑电图的发展过程
１９５０ １９６０ １９７０ １９８０ １９９０ ２０００
真空管
第1代
晶体管
第2代 第3代
微处理器 电子文件
第4代
脑电信号的检测
脑波的发现

1875年英国的克顿首先在兔子以及猴子的大脳皮 质层测到直流电压信号。

1924年德国的精神科医生翰思贝鲁加发现人脑也 产生一种电信号。 1929年翰思贝鲁加首次发表了「人脑的电信号」 的论文。 1933年英国的尔多里安等人进一步证实并确认了 脑电信号。从而形成了脑电图理论。
数字脑电图
第3代脑电图
日本光电
（EEG-4418）
• 笔记录 • 带数据保存
第4代脑电图
美国尼高力
（Nicolet ONE）
• 无纸脑电 • 电脑控制 • 带视频
脑电图的原理
模拟脑电图的结构
输入盒
导联切换 缓冲器
ＤＣ ＩＮＰＵＴ
差分放大器
－ ＋
振幅 切換
高通 低通Filter AC Filter Filter 切換 ON/OFF 切換
量子化的位数越高的话 ?
得到的波形越平滑，但保存的数据量越多。 （例如） 使用一个8位的A/D转换器对一个±１[V]的输入信号进行 量子化时，量子化的刻度为输入信号范围2[V]除以28=256. 即输入信号的最大振幅值可分为256等分。详见下图。
量子化的位数越低的话?
保存的数据量越少，但量子化越粗。 例如： 使用一个3位的A/D转换器对一个±１[V]的输入信 号进行量子化时，由于输入信号的最大振幅值只可分为 23=8等分。如下图所示，波形呈现阶梯形，原波形失真。 这种因量子化引起的波形失真被称为「量子化误差」
1000 500
200
300 120
60
100
30
* Anti-Aliasing filter的频率一般为采样频率的1/3
推荐的采样频率
推荐采用500Hz的采样频率
目前医院脑波检查时通常使用的采样频率为500Hz。 ( HF 120Hz ) 高切滤波器选用120Hz。
量子化（振幅方向的离散化）
• 以一定的时间间隔对一个连续的模拟信号进行采 样，并将每个采样值（信号的振幅值）转换成一 些离散性的数值。这个过程通常称为量子化。 • 对一个输入信号究竟能够以多小的值进行量子化， 取决于A/D转换的位数。 • N位的A/D转换器，量子化的最小刻度为最大振幅 （A/D转换的最大电压输入范围）除以2N 。
Aliasing
使用100Hz的采样频率对 40Hz和60Hz的正弦波进行 采样。其结果40Hz的正弦 波刚刚能够正确再现，但 60Hz的正弦波则有变形 （Aliasing noise）
100Hz
如何消除Aliasing noise ?
使用一个称之为Anti-Aliasing filter的高切滤波器， 先将不能忠实再现的高频（超过采样频率1/2以上的频率） 成分屏蔽掉，然后再进行采样。 采样频率 (Hz) Anti-Aliasing filter 切除频率 (Hz) → 可选择的最大值

低切频率 ｆ＝１／２π ＲＣ（Hz） 时间常数 τ =CR 低切频率与时间常数 的关系 ｆ＝１／２π τ （Hz）
时间常数 (秒) 0.001
低切频率（HHale Waihona Puke Baidu） 159
0.003
0.03 0.1 0.3 0.6 1 2
53
5.3 1.6 0.53 0.27 0.16 0.08
交流滤波器（AC滤波器）
A1 系统参考 → Vref 电极
＋ －
A1电极信号 → A1－Vref
导联的计算
Fp1
＋
－
导联配置
Fp1－Vref
G1(-) G2(+) Fp1 - F3
F3
＋ －
F3－Vref
输出 (Fp1－Vref) － (F3－Vref) = Fp1 – F3
导联配置 G1(-) G2(+) Fp1 – A1


系统参考电极应选用那些不容易因体动等外 界因素而引起干扰的电极。 最好同时使用２个部位的电极。
Ref （德力凯） Ｃ３和Ｃ４的平均电位
C3
作为系统参考电位
系统参考电位 (C3+C4) / 2 = Vref
C4
以电极单位保存数据
Fp1
＋
－
Fp1电极信号 →
Fp1－Vref
F3
＋ －
F3电极信号 → F3－Vref
A/D转换的分辨率


NSD/EEG所使用的A/D转换器是16bit的A/D转换器。 其最小分辨率(LSB)为97.45nV,约等于0.1uV。则 输入电压范围约为 65536 X 0.1uV = 6.55mV 。 16bit的A/D转换器最大表示数据为 →对于50uV的脑波信号具有足够大的容许值幅 来表示。
脑电图测试时必须安装的电极
中性电极(Z)
系统参考电极(Ref)
Ref
阻抗检测用(A1,A2)
采样（时间方向的离散化）
模拟信号的振幅（电圧）以一定的时间 间隔将其数值化
如果采样频率增高?
可以更加细致，更加精确地再现波形，但保存的 数据量也随之增多。
如果采样频率降低?
保存的数据量减少，但可再现的波形的 频率成分也随之降低。


100,000倍 100dB
小 结
脑电信号的产生 记录脑电信号的仪器→脑电图 脑电图的结构 脑电图的主要参数
ＣＭＲＲ ＝ ２０ ｘ ｌｏｇ 异相增益 同相增益 （ｄＢ）
共模抑制比越大，表示非同相成分（脑波信号）与同相成 分（杂音）的比也越大。也就是说同相信号的衰减程度越 大，则意味着差分放大器的性能越好。
EEG/NSD的共模抑制比

CMRR：105dB以上。 同相成分的杂音可减少到原杂音 信号的1/180000。 （例）１Ｖ → ５．５μ Ｖ 即1V的同相杂音可衰减为5.5uV。
脑电图的发展史
大脑结构
大脑半球分五叶 即：额、顶、颞、枕和岛叶
脑波的产生
「锥体细胞模型」
－

头皮 颅骨 脑膜 脑髓液 脑
白质 灰质
+
大脑皮质表层所产生的电位变动通过 头皮上的电极进行记录
神经兴奋通过树突传给下一个 神经元时产生一个突触后电位 「通过不同导电率的物质时,电位将衰减1/10～20」
中性电极（Ｚ）




使用差分放大器对脑波信号进行放大时，一般在差分放大 器的＋、－端连接2个脑电电极。但每个电极还必须有一 个参考点。 模拟脑电图的参考点为地，通常使用一个E（地）电极。 数字脑电图规定需要采用浮地，参考点必须使用安装在身 体内的电极。该电极通常称为中性电极（Z）。 另外，从系统参考电极信号中检测出的同相信号，也是通 过Z电极反馈到参考点，由此消除同相成分的噪声。 中性电极（Z）一般装在前額部。 如果中性电极（Z）不连接，则不能有效的排出噪音的干 扰，使之无法记录安定的脑波波形。故此必须安装Z电极。
A1
＋ －
A1－Vref
输出 (Fp1－Vref) － (A1－Vref) = Fp1 – A1
Vref
系统参考电极导联配置的作用
在脑波记录时，为了检查各电 极的放大器是否正常。通常使用 各电极与系统参考电极的导联配 置记录10秒以上的脑波。
系统参考电极导联配置的波形

G2设为0V，可确认各电 极的原始波形。
同相输入
＋ －
差分输入
＋
输出
－
输出
为什么要采用差分放大器?



脑波信号非常微弱。周围的仪器所产生的噪音很容易通 过身体或电极连线混入脑波，该噪声常常比脑波信号还 大，使得所导出的脑波信号被噪声覆盖。 噪声发生源远离电极时，噪声作为同一大小，同一位相 的同相成分信号混入脑波。 使用差分放大器可以消除同相成分的噪声，使其差分放 大后的信号只剩脑波信号。
笔记录器
１ｃｈ ２ｃｈ Ｎｃｈ
ＥＸＴ
ＯＵＴ
数字脑电图的结构
输入盒
电极数据
系统参考电极
＋ － ＋ －
差分放大器
＋ －
数据采样
切换
High Cut Low Cut
AD转换
＋ －
显示器
计算机
打印机 储存装置
・Filter处理 ・导联配置处理 ・振幅处理
数字脑电图的优点




在输入盒内已将脑波信号数字化。 → 数据不容易受外部噪音的影响。 脑波数据是由每个电极与一个系统参考电极差分 放大所产生的。 → 可重新配置导联。 脑波数据可通过计算机进行处理。 → 可对数据进行各种滤波处理和解析。 脑波数据以电子文件形式保存。 → 无纸，减少保存空间，便于携带搬运。
如何确定采样频率
采样频率多少时，才能精确地再现原来的模拟信号？
采样频率至少为模拟信号所具有的频率成分中的最高 频率的2倍，才能精确地再现原来的模拟信号。
最高频率为50Hz时，采样频率为100Hz即可。
正弦波采样例
fs：采样频率 f0：信号频率
在采样频率的整数倍处都将出现信号频率。为了得到正 确的信号频率，采样频率与信号频率必须满足以下关系： 即 2|f0| < fs
放大器 = 波导数
O2 A1

＋ －
无法重新配置导联。
Nch的信号
数字脑电图的差分放大
Fp1
＋ －
Fp1的信号

Fp2
＋ －
Fp2的信号
放大器 = 电极数
每个电极与系统参考 电极之间的电位差进 行放大。保存的数据 为电极单位数据。
A2
系统参考 电极
＋
－
A2的信号

导联的计算为两个 电极数据的差。
系统参考电极
脑电图的主要术语



差分放大器 系统参考电极（Ref） 中性电极（Ｚ） 采样（时间方向的离散化） 量子化（振幅方向的离散化） A/D转换分辨率 滤波 共模抑制比
差分放大器

差分放大器? → 将2个输入信号的差以一定倍率进行放大的放大器。

在差分放大器的正负输入端同时输入一个相同的电压信 号（同相输入）时，则输出几乎为0。 在差分放大器的正负输入端输入2个不同的电压信号（差 分输入）时，其电位差将被放大 。
时间常数 （低切滤波器）
振幅
高切滤波器
2秒 (0.08Hz)
120Hz * 采样频率为500Hz时。
周波数
共模抑制比

也称为同相信号抑制比 （CMRR：Common mode rejection ratio） 共模抑制比表示差分放大器对同相信号的衰 减程度。 即：ＣＭＲＲ＝Ad／Ａｃ Ａｄ：异相成分的放大率 Ａｃ：同相成分的放大率