第一讲 EEG信号基础

自发脑电的时域与频域波形
normal signal
0 – 1000 Hz
theta band
4 – 8 Hz
alpha band
8 – 12 Hz
beta band
13 – 30 Hz
gamma band
30 – 100 Hz
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
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。
50Hz工频干扰 ECG AEP SEP VEP
脑电信号的特点
~ 100 V 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
幅度：0.1
• 信Leabharlann Baidu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
BAEP)

体感诱发电位(somatosensory evoked potential，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。



电气隔离
前置放大器

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，

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
仪器放大器 instrumentation amplifier
50
100
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
/Hz
信号及干扰源的频率分布
SEP somatosensory evoked potential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
+ _
+ vo _
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。
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， corpus callosum）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 前脑 forebrain

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
事件相关电位（ERP）的研究应用
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
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。
极脑电记录
活动位置
+ _
+
vo
_
参考位置
双极脑电记录
记录两个活动位置电位的差
strobe light flashes, elicits evoked potential +EEG: EP
+ vo _
vo :
“single trial”
=
+
EEG
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。
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。
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 Power Instrumentation Amplifier AD620




EASY TO USE Gain Set with One External Resistor (Gain Range 1 to 1000) Wide Power Supply Range (±2.3 V to ±18 V) Higher Performance than Three Op Amp IA Designs Low Power, 1.3 mA max Supply Current
松果体 pineal body 中脑 midbrain 中脑 菱脑 hindbrain 中脑
后脑（小脑） 小脑 cerebellum 脑桥 pons 髓脑 延髓 myelencephalo medulla oblongata n
原始神经管
神经管 神经嵴
脊髓 spinal cord 外周神经节
1．脑的表面结构
再分区 端脑 （大脑） cerebrum 间脑 diencephalon
主要部位 嗅脑 rhinencephalon
功 嗅觉中枢
能
基底神经节 basal ganglia 运动控制 大脑皮层 cerebrum cortex 高级功能 丘脑 thalamus 下丘脑 hypothalamus 神 经 垂 体 pituitary 感觉传入冲动传向大脑皮质 的中继站，粗浅感觉分析 调节内脏活动 posterior 神经内分泌功能 内分泌腺，褪黑素 视觉中枢，网状激活系统， 内脏调节 调节躯体运动、随意运动 网状激活系统，内脏控制 基本生命中枢，感觉核，网 状激活系统 低位中枢，基本反射活动 神经通路或换元
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。
AEP auditory evoked potential 听觉激发电位 ENG electronystagmography眼球震颤电流描记 PCG phonocardiogram心音图
高频治疗/电刀/电疗
医用遥测
宇宙射线
PCG
ERG ENG EOG EMG EEG
0.1 1 10
无线电 灯管放电 电刷火花 雷电
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：
电极引线中也会感应工频干扰
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) 降低电极阻抗Z2
和Z1 降低id，将各引线屏蔽接地。

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：
2R f Vc idb R Vc o Ra
右腿驱动电路
idb R o Vc 1 2R f R a


直接接地Vc=idbRG 使用右腿驱动可使共模 干扰减少（1+2Rf /Ra） 倍。
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10A以下，因此Ro的存 在也会抵消右腿驱动电路的作用。
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

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
+ _
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

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(pattern reversal visual evoked potential，
PR-VEP),

脑干听觉诱发电位(brain stem auditory evoked potential，
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
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(blood brain barrier) 血—脑脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier) 脑脊液—脑屏障 (brain cerebrospinal fluid barrier)