全面总结EEG信号中常见的干扰和噪声信号

全面总结EEG信号中常见的干扰和噪声信号

在EEG/ERP研究中，最令人头痛的问题之一是各种干扰和噪声信号混入到EEG/ERP信号中，因此，数据分析的第一步其实就是去除不同形式的伪迹信号。这些不同形式的干扰和噪声，有些可以在EEG数据采集时尽量避免甚至消除掉，而有些只能在后续的预处理中去除。此外，由于滤波、ICA等操作会不同程度造成EEG信号的“形变”，因此，有一个潜在的原则是：尽量在EEG信号采集时减少干扰保证采集到高质量的信号，减少后续的预处理中的某些步骤。因此，熟悉EEG信号采集过程中可能出现的伪迹特点、起源对于采集到高质量的EEG信号至关重要。笔者在这里对EEG信号中的常见干扰和噪声信号进行系统总结，希望对大家有帮助。

1.眨眼Blink伪迹

每个眼球的前面（正面）存在一个正向电位梯度，而后面（背面）有一个负向的电位梯度，这就形成一个偶极子（dipole），这个dipole的电势分布从头前向后逐渐削弱。当眼睛不动时，这样的较为恒定的电场当然也会被EEG记录到，但是可以通过滤波或者baseline correction的步骤把其影响消除掉。但是，当眨眼时，眼睑会横越眼球，眼睑相当于一个变化的电阻，会改变dipole电势的分布，从而产生眨眼伪迹。
眨眼伪迹一般用VEOG（垂直眼电）电极记录，眨眼伪迹一般在Fp1、Fp2和Fpz处最大，并且从头前向头后逐渐衰弱（如图1）；此外，VEOG和头皮电极上记录到的波形极性相反。
图1[2]

2.眼动（eye movement）伪迹

眼动和眨眼的原理相似，同样眼球作为一个前正后负的dipole，眼睛运动时，头皮电压梯度将变化，即眼睛运动指向的部位变得更正。眼动伪迹一般通过放置在眼睛左右的电极（HEOG，水平眼电）进行记录。大多数情况下的眼动将会是眼跳（saccade），即眼睛迅速发生弹道式转移。大多数情况下，被试朝一个方向眼跳之后会伴随另一个眼跳回到注视点，这会导致“篷车”或“斜篷车”的波形。典型的“篷车形”saccade伪迹如图2所示：

图2[1]

3.肌电干扰

头颈部的肌肉活动是EEG肌电干扰的最主要来源，颈部以下的肌肉活动一般不会对EEG产生较大的干扰。肌电EMG信号一般频率较高25Hz以上，幅度较大，一般表现出爆发式的波形，如图3所示。
肌电伪迹的主要来源包括：颞肌（如咬牙/咀嚼）、前额肌肉（如皱眉）、颈部肌肉活动（如吞咽动作）。

图3[4]

4.心电ECG干扰

ECG往往会很容易在乳突出现，如果以乳突作为参考电极的话，那么ECG会以颠倒的形状在所有电极中观察到。虽然有时可以通过稍微移动乳突或耳垂参考电极来减小ECG，但是一般不能完全消除。此外，ECG的频率大约为1Hz。典型的心电伪迹如图4所示。

图4[3]

5.工频干扰

50/60Hz工频干扰主要来自市电，主要原因是当电极的阻抗很高时，很容易引入工频干扰。高阻抗是因为头皮上未被清除的油脂、脏污等原因所致的电极接触不良。如果所有导联都出现工频干扰，那么很可能来自于接地电极或者参考电极的阻抗过高。典型工频干扰如图5所示。

图5[3]

6.出汗性伪迹

被试出汗会引起皮肤电阻的降低，从而引起EEG信号的非常缓慢（0.2-0.5Hz）的类似于基线漂移的电活动，即为出汗性伪迹。此外，出汗还容易引起电极松动，造成非常缓慢的电活动，如图6所示。

图6[3]

7.放大器饱和
EEG信号的慢性偏移严重的话就会引起放大器饱和，放大器饱和的结果就是信号呈现出水平直线，如图7中Blocking所示。

图7 [1]

8.脉搏波伪迹
这种伪迹主要是由于电极正好位于某根血管上方或附近，血管随心跳而动，从而引起电极的微微移动。这种伪迹与脉搏同步出现，呈现周期性的大慢波。如果参考电极附近有血管的话，会引起所有导联的脉搏波伪迹。可以把电极从血管附件稍微移开一点，消除这种伪迹。典型的脉搏波伪迹如图8所示。

图8[3]

参考文献：
[1] Luck. An Introduction to the Event-RelatedPotential Technique-Second edition
[2] Juri D.Kropotov. Chapter 1.5 - SpontaneousElectroencephalogram. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-410513-3.00005-X
[3] 赵仑.ERP实验教程
[4] Nidal Kamel_ Aamir Saeed Malik – EEG/ERPanalysis-methods and applications-CRC Press

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