深度解读 | 脑电设备的工作原理
脑电图是大脑活动时大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成，并由放置在头皮表面或植入颅内的电极采集记录的图谱，是使用电生理指标记录大脑活动的方法。但脑电信号幅度弱、频率低，容易受环境及其他内源性电生理信号干扰，那么理解脑电设备的工作原理将有利于脑电数据的稳定高效地采集与分析。
01 脑电设备有哪些组成部分
为了获得高质量的脑电数据，脑电数据采集系统要满足一定的条件。通常，一个完整的脑电数据采集系统应该由一下几部分组成：电极、带滤波器的放大器、数模转换器（analog-to-digital）和数据记录电脑。具体来说，头皮表面电极记录的电压信号通过放大器转换成适当电压范围内的信号，然后通过模数转换器将信号从模拟电压格式转换为数字格式，最后通过记录电脑进行数据存储。
图1:脑电记录系统
02脑电采集电极分类
脑电采集电极为处理设备与脑之间的传感器，选择或设计出适用于采集脑电信号的电极材料、保证采集脑电信号的质量是 BCI 技术获得良好综合性能的重要前提。
图2：脑电采集电极分类
湿电极为脑电采集的传统电极类型，一般采用Ag-AgCl 做电极材料。进行脑电信号采集时，为了克服电极与头皮之间的阻抗，需在电极与头皮间涂抹液态或糊状的导电介质( 导电膏或导电液)。湿电极作为脑电采集电极的“金标准”，有阻抗低、稳定、信噪比高和信号可靠的优势。但是由于需要涂抹导电膏，实验准备过程复杂，湿电极存在一些缺点，例如: 电极空间分辨率不高、被 测者会有不适感、长时间采集导电膏会变干从而影响信号采集的精准度等等。
干电极由于不需要涂抹液体导电胶，具有使用方便、使用者感觉舒适、易于便携式脑电设备的应 用等显著优势。但干电极的刚性材料无法紧密接触头部，尤其是有发区域，信噪比不够，容易对皮肤产生损伤，且阻抗过大不利于采集信号。
半干电极( 准干电极)针对湿电极与干电极的缺陷，半干电极的原理如下: 在压力施加下，电极腔内的电解质微量释放到头皮表面，建立相对稳定的电—头皮界面。可综合传统电极与干电极的特点，既兼顾了降低阻抗所需要的电解质层，又避免了干电极对皮肤的创伤。
03脑电采集电极分布
1958年，国际脑电图学与临床神经生理学联合会（international federation in electroencephalography and clinical neurophysiology）制定了脑电图电极置位置标准方案，随后美国脑电图学会（American electroencephalographic society）经过不断修订，形成了现在被广泛使用的国际10-20电极排布系统。具体来说，首先在头皮表面确定两条线，第一条为鼻根（Nasion）至枕外隆凸（Inion）的前后连线，第二条为左右耳前凹之间的左右连线，这两条连线的交点处于头顶处，即为电极Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后连线的长度设为100%，沿着鼻根至枕外隆凸的前后连线，从鼻根向后距离为10%的位置定为Fpz电极位置，从Fpz向后每隔20%的距离定义一个电极位置，从前向后依次为Fz、Cz、Pz和Oz，其中电极Oz距离枕外隆凸的长度为10%；左右耳前凹之间的左右连线长度同样设为100%，沿着这条左右连线，从左侧耳前凹向右距离为10%的位置定为T3电极位置，从T3向右每隔20%的距离设置一个电极，从左到右依次为C3、Cz、C4和T4，其中T4电极距离右侧耳前凹的长度为10%；电极有特定的字母和数字进行标记，其中
T为颞叶（Temporal）
P为顶叶（Parietal）
O为枕叶（Occipital）
C为中央区（Central，大脑没有这个区，是为了方便识别更为典型的脑电活动，如运动相关的通常在C3和C4）
“z”表示放置在中线上的电极，偶数表示大脑右侧的电极，奇数表示放置在大脑左侧的电极。
图3：国际10-20系统
10-10系统可以看成是10-20系统的扩展，在10-20的基础之上，在10%的位置上进行电极的扩展，便得到10-10系统。
图4：国际10-10系统
04 放大器记录的是什么信号
一般来说，根据在脑电数据记录过程中的不同的作用，电极可以分为三种类型：活动电极、参考电极和接地电极。每个单独的脑电电极的电压波形图可以被看作活动电极（A）和参考电极（R）之间电势差随时间的变化。从理论上来说，参考电极应设置在较远的位置，绝地电势为零。因此，A和R之间的电势差在很大程度上可以反映A附近的电活动。然而，这种完美的参考电极并不存在，事实上在大多数情况下参考位点不是电中性的。因此，活动电极和参考电极之间的电势差反映了两个位点的电活动。接地电极主要用于降低接地环路产生的噪声。大多数脑电数据采集系统包含多个活动电极、一或两个参考电极和一个接地电极。
脑电采集到的信号为电压值，是从多个电极获取的，并不存在单点的电压值。比如Fz点的脑电信号反应的是Fz点和接地点之间的电势差，电压信号实际为：
Fz-GND
放大器则记录了Fz和接地电极之间的电位以及参考电极和接地电极GND之间的电位 。在此基础上，放大器再计算Fz和参考电极之间的差值为：
(Fz-GND)-(REF-GND)
因此，放大器的输出是记录部位和参考电极之间的电位，抵消了接地电极和它包含的电噪音。
图5：不同电极类型分布
同时放大器有硬件的内部都装有滤波器，滤波器的设计会衰减信号的低频和高频部分。所以选择放大器的宽带越宽，即放大器进行测量的有效频带越宽，则所采集的范围信号越多，但是所产生的噪音信号就越多。
05 如何选择合适的脑电设备
1.电极类型
电极类型的选择取决于多种因素，包括所需的信号质量、时间限制、是否具备训练有素的技术人员，以及脑电系统的便携性等。传统的湿电极由于其良好的信噪比和较高的重复性等优点成为临床和科研脑电测量的主要选择和标准。但其操作不便、舒适度差、持续操作时间短的缺点也限制了其在穿戴式日常动态脑电监测的应用。
当获取的脑电信号质量至关重要时，最佳选择是作为金标准的湿电极；当准备和清理时间至关重要时，并且没有训练有素的技术人员可测试时，干电极和半干电极是不错的选择；此外，由于半干电极相较于湿电极更舒适，相较于干电极更不易出现伪影，在许多情况下，半干式电极是首选。与此同时，随着技术的不断发展完善，许多脑电系统都可配置多种电极，方便不同场景使用。
2.电极数量
多数情况下，推荐32或64个活动电极，但研究高密度脑电电极以及有特殊需求的算法(如空间拉普拉斯变换)的研究除外。
3.电极排布
推荐国际10-20系统。
4.参考电极
在采集脑电数据的过程中，只要电路连接良好，任何位置的电极都可以被作为参考电极，因为这样研究者总是可以在离线处理数据的时候重新参考。对于未来展示脑电数据时的参考电极，我们建议选择同研究领域研究者普遍认可的电极。
5.放大器和模数转换器
对于放大器，推荐高输人阻抗(至少为100MΩ)和高共模抑制比(至少为100dB)。 对于模数转换器，推荐高电压分辨率(超过20位)。
6.模拟滤波器
如果模数转换器的分辨率足够高，建议在采集脑电数据时不要使用模拟滤波器，因为可以用更好的数字滤波器对数据进行离线滤波。如果模数转换器分辨率不够高，建议在采集数据的时候使用高通滤波器，其半幅截止频率在0.01~0.1Hz为好。
7.采样率
在大多数情况下，采样率在250~1000Hz就足够了，脑电不需要记录超过1000Hz的频率。
参考文献
Electroencephalography, Handb Clin Neurol, 2020;168:249-262, doi: 10,1016/B978-0-444-63934-9,00018-4, PMID: 32164856,Dry EEG electrodes, Sensors (Basel), 2014 Jul 18;14(7):12847-70, doi: 10,3390/s140712847, PMID: 25046013; PMCID: PMC4168519,(2002), Fundamentals of EEG measurement, Measurement Science Review, 2(2), 1-11,Creamino: A Cost-Effective, Open-Source EEG-Based BCI System, IEEE Trans Biomed Eng, 2019 Apr;66(4):900-909, doi: 10,1109/TBME,2018,2863198, Epub 2018 Aug 3, PMID: 30080140,
迈尔诺医疗推出的一款强大的多模式 EEG 应用设备。它可以同时测量多达 256 个通道的 EEG 以及其他参数，如 sEMG、HRV、温度或皮肤电导 (GSR)。
如果您对脑电研究感兴趣，请与我们联系！
声明：文章仅用于学术交流，不用于商业行为，若有侵权及疑问，请后台留言，管理员即时删侵！
