《脑电信号分析方法与脑机接口技术》笔记——第二章 EEG信号

第二章 EEG信号

2.1 脑电图

1.脑电信号（EEG）是从人类或动物的头皮上记录到的电位变化，主要反映大脑的电活动特性。
2.脑电图是由电极记录下来的大脑细胞群在自发性生物电活动。以电位为纵轴，时间为横轴将它以曲线的形式显示出来，即脑电图，也称为脑波。
3.脑电图就是将人脑的电活动经过头皮电极引导、放大并显示或记录下来的图形。
4.脑电图可用作疾病诊断、睡眠或麻醉深度监护。
5.脑电信号是在大脑皮层和头皮表面上，大脑神经细胞中的电活动的总体效应所表现出来的一种状态反应。

2.2 EEG信号的产生

脑电信号就是由皮层内大量神经元突触后点位（包括兴奋性突出后电位和抑制性突触后电位两种）总和所形成的，是许多神经元共同活动的结果。

2.3 EEG信号分类

2.3.1 BCI使用的脑电信号类型

1.自发脑电

在无明显刺激的情况下，大脑皮层经常性自发产生节律性点位变化，称之为自发脑电活动。
特点：背景噪声强、信号幅度微弱、非平稳性和随机性强、频域特征比较突出等特点。

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经常用到的自发EEG有以下三种：

1）事件相关同步电位或事件相关去同步电位

事件相关同步电位（ERS）是当人们做单侧肢体动作时（如左手运动或右手运动时），大脑对侧主感觉运动皮层的μ节律（9~13Hz）和β节律（14~30Hz）幅度减小比较明显，而同侧主感觉运动皮层的μ节律和β节律幅度增大明显的现象，称为事件相关去同步（ERD）及事件相关同步。
或者说：大脑对侧产生了事件相关去同步电位（ERD），大脑同侧产生了事件相关同步电位（ERS）。

2）皮层慢电位

皮层慢电位是皮层电位的变化，反应的时整个皮层低频电位的缓慢电压变化，一般频率低于1Hz，其持续时间为几百毫秒到几秒，有明显的正负电位差异，与皮层的兴奋性相关，负向慢皮层电位与皮层兴奋激活有关，正向慢皮层电位反应了皮层兴奋度的下降。
目前应用较少。

3）基本的脑电节律

脑电频率范围为0.1~100Hz，分类如下（6种）：
1.α节律（8~13Hz）
2.β节律（14~30Hz）
3.δ节律（0.1~3.5Hz）
4.θ节律（4~7.5Hz）
5.γ节律（30Hz以上）
6.μ节律（8~12Hz）

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对于自发EEG信号进行的主要研究有以下几个方面：

（1）低频异步开关的设计，主要利用EEG中1~14Hz频率。
（2）思维转换设备（TTD）的设计，该设计利用了SCP（皮层慢电位）。
（3）一维光标控制、二维光标控制、从屏幕中如何进行选择以及对一些简单问题的回答，主要是利用μ节律和β节律。
（4）两类思维任务和五类思维任务的分类问题，是利用ERD/ERS进行研究。
（5）三种思维任务的分类情况以及闹控制机器人在房间运动，主要是利用8~13Hz频率。

2.诱发脑电

在给予特定刺激时诱发引起的脑电位变化，这种诱发产生的脑电反应通常称为事件相关电位（ERP）。
诱发电位的特征包括以下几个方面：
1.必须在特定的部位草能检测出来。
2.都有其特定的波形和电位分布。
3.诱发电位的潜伏期与刺激之间有较为严格的锁时关系，在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现。

2.3.2 脑电在国际上的分类

1.主要有三大分类：频率分类、图形分类和Gibbs分类，用得比较多的是频率分类。
2.频率分类是指将脑电图进行频谱分析，然后按照频率进行分段，达到分类的目的，脑电图记录的四种简单周期波为α波（8~13Hz)、β波(14~30Hz)、δ波(0.5~3Hz)和θ波(4~7Hz)等几个频率段。

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四种简单周期波

α波：频率为每秒8~13次，振幅为10~100μV，在枕叶和顶枕叶出现明显，α波是正常人脑电波的基本节律，如果没有外加的刺激，其频率几乎恒定。在头部任何部位皆可记录到α波，但以在枕区及顶区后部记录到的最为明显。α节律与视觉活动有关，在清醒、安静、闭目时就会出现，并可具有时大时小的波幅变化，即波幅呈现由小变大，然后又由大变小的规律性变化，形成所谓α节律的“梭形”。每一“梭形”持续时间为1~2s。对外界的刺激具有实时的响应，当人有睁眼动作，或者受到刺激时该波幅会出现下降或者马上消失。睁眼、思考问题或接受其他刺激时，α波立即消失而出现快波，此现象称为“α阻断（α block）"。如再安静闭目，则α波又会重新出现。
β波：频率为每秒14~30次，振幅为5~20μV。是额、中央区出现的最高波幅，安静闭目时只在额区出现β波。如果睁眼视物、突然受到声音刺激或进行思考时，再皮层其他区也会出现β波。所以，β波的出现一般表示大脑皮层处于兴奋状态。再额、颞、中央区β活动最明显，其中中央区域的β波与μ节律关系密切。β波出现在精神紧张和情绪激动或亢奋时，当人从睡梦中惊醒时，原来的慢波节律会立即被该节律所替代。盖博在基于ERD/ERS的BCI研究中占有主要地位。
θ波：频率为每秒4~7次，振幅为20~100μV。主要发现的部位为枕叶和顶叶，表示大脑处于深思维或灵感思维状态，是学龄前儿童的基本波形，也容易发生在受到刺激的成年人或者精神病患者中，而且是年龄段为10~17岁的人群中的主要脑波信号。清醒的正常成人，一般记录不出θ波，成人在困倦时长可记录出θ波。θ波的出现时中枢神经系统抑制状态的一种表现，如在清醒成人的脑电图中出现θ波表示不正常，一般在顶区与颞区的θ波较明显。
δ波：频率为每秒0.5~3次，波幅为20~2200μV，在大脑的枕叶和颞叶区域经常出现，表示大脑处于无梦深睡状态，是婴儿大脑的基本波形，也发生在智力发育不成熟时或在极度疲劳和昏睡状态下的成年人中，还会在生理性慢波睡眠状态和病理性昏迷状态见到。频率的个体差异很小，波幅的个体差异很大。
一般将比α波慢的δ波与θ波统称为慢波；而将比α波快的β波和γ波统称为快波。

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其他重要的波与节律

μ节律：在中央出现，频率为8~12Hz，常为弧形，与希腊字母μ相似，常见于3%~13%的正常人中，常常被握拳抑制，在睁眼时不消失。老年人少见，睁眼、闭眼对其无影响，疲劳、对侧肢体受刺激、对侧肢体运动或被检测者思考问题时，μ节律抑制。α波容易受到外界影响而消失，而这种现象不会再μ节律上发生。（基于ERD/ERS和自发μ节律的BCI研究）
K节律:主要出现在额颞部，频率为6~12Hz，波幅为10~40μV。睁眼时一般不抑制，记忆与思维时最易出现。
λ波：出现在枕区，频率为3~5Hz，波幅为10~40μV。是一种正相尖波，常为注视所诱发。
顶尖波：主要是负相尖波，在顶区最明显，如成对出现的像”驼峰“又称”双顶驼峰“，常出现于浅睡期。
棘波：棘波是一种短暂的、周期小于80ms的波形，大脑皮质神经细胞过度兴奋的高波幅的表现，常见于局限性癫痫。
尖波：又称锐波，是一种周期大于80ms，或小于20ms的三角形波，常见于局限性癫痫。
慢波：脑电波的节律快慢与患者的年龄、觉醒状态有关。异常的慢波分布可以时局限性的，也可以是全脑性的，引起慢波产生的最常见原因是癫痫发作，如果数天慢波仍然存在，说明脑有实质性的损伤。
棘-慢波：棘-慢波是由一个棘波和一个慢波组成的复合波，棘波的周期小于80ms，慢波的周期为200~500ms，常见于局限性癫痫。
尖-慢波：由一个尖波和一个慢波组成的复合波，尖波的周期为80~200ms，慢波的周期为500~1000ms，常见于局限性癫痫。
高度失律：不规则和高波幅满活动，混杂以棘波、尖波，一般不会形成典型的复合波，以阵发性或游走性出现，常见于婴儿痉挛症。
爆发性抑制活动：在平坦的活动背景上，突然出现高波幅慢活动，可合并尖波和伴随抽搐，是大脑皮层和皮下广泛性损害的表现，见于婴儿痉挛症、恶性胶质瘤、脑炎和麻醉过深者。

2.4 EEG信号的特点

1.随机性及非平稳性非常强。
2.EEG信号具有非线性。
3.信号微弱，噪声干扰强。
4.频域特征突出。
5.是多点击测得的多道信号。

2.5 EEG信号的获取

2.5.1 脑电图仪与导联方式

1.脑电图仪

用于测量和记录脑电图的装置，其工作原理是：放置在头皮的电极能够检测出微弱的脑电信号，通过电极岛链耦合到差动放大器进行适当放大并且数字化，最后通过与其配套的PC上的记录系统记录下信号数据。
使用环境：安静、避光、电磁干扰小的房间。
电极数越多，获得的脑电时空信息越丰富，但会增加设备成本和信息处理复杂度。

2.脑电信号采集

1）电极帽
2)PC

3.国际10/20系统

左侧奇数、右侧偶数，接近中线数字小，较外侧数字大。
失状线：从鼻根到枕外隆凸的连线，又称中线。从前往后标出五个记录点：Fpz、Fz、Cz，Pz，Oz。
冠状线：两外耳道之间的连线。从左到右也记录五个点：T3、C3、Cz、C4、T4。
Cz是失状线和冠状线的交点，因而常作为基准点。
经过上述两线的边缘4点，以Cz为圆心，四个点各在圆周上等距离的取2个点，并在Fz、C3、Pz、C4间各取一个点。这样10/20系统共21个有效电极组成。

4.导联方法

1）单极导联

使用活动电极和参考电极，将头皮上的一个电极的电位设置为零，这个电极被称为参考电极。其他电极与参考电极的电位差即是该电极的电位值，这些电极叫做记录电极。
优点:脑波掺杂少、记录的脑电信号是脑电位变化的绝对值，其波幅较高且稳定。
缺点：耳垂电极有问题会影响半侧脑波。

2）双极导联

两个活动电极部位脑电变化的差值。两个电极都放置在头皮上，均能记录到一定的脑电位，记录的是两个电极部位脑电活动的差值。
优点：不易受到其他生物信号的影响，并能排除无关电极活性化所引起的伪迹干扰问题，双极导联的波幅、波形失真较少。
缺点：受两个活动电极间距的影响。

2.5.2 EEG信号获取

1.介入式采集又称侵入式采集

通过外科开颅手术将电极阵列植入颅内。优点是脑电信号精度较高，噪音较小，缺点是不能保证脑内电极长时期保持结构和功能的稳定，容易引发免疫反应和愈伤组织，进而导致信号质量的衰退甚至消失。

2.非介入式采集也称非侵入试采集

主要测量头皮表面的EEG信号，通过将电极贴附在头皮上来保持良好的机械接触和导电性而直接获得。相对于侵入式优点是更加简单安全，实验时间也大大缩短，但是信号精度低、噪音较大，要进行大量的训练。

3.部分介入式采集又称部分侵入式采集

一般植入到颅腔内，但是位于灰质外，其空间分辨率不如侵入式，但是优于非侵入式。

2.5.3 影响脑电图的因素

1.年龄和个体差异
2.意识状态
3.外界刺激与精神活动
4.体内生理条件的改变
5.药物影响

2.6 脑电图干扰和噪声分析原因

2.6.1 什么是伪迹

常见干扰为：眼动(EOG)干扰，心电(ECG)干扰、肌电(EMG)干扰、工频干扰和高频噪声干扰等。在医学上通常把这些干扰称为伪差或伪迹，通常来自脑外的电位活动在脑电图中的反映。

2.6.2 引起伪迹的因素

1.生理性伪迹

1）眨眼和其他眼动：主要是由眼球移动】眨眼所产生，振幅较大，主要在大脑头皮前部比较明显。主要由额部电极记录到，亦可延伸到中央区和颞部点击。
2）肌肉活动：是由头部、肢体、下巴或者舌头等运动产生干扰的信号，且这种干扰会对脑电产生较大影响。EMG的频率通常大于30Hz，其波形类似于脑电图棘波发放。头部和面部的肌肉伪迹主要发生在额或颞区。受检者吞咽或咬牙时，肌肉活动出现在颞部；皱眉时，可出现在额部；颈部紧张或抬头时，则出现在枕区。与脑电快波活动相比较，肌肉活动频率更快，波幅更高。
3）运动伪迹：运动性伪迹通常是不规则以及没有重复性。
4）心电伪迹：由心脏跳动产生的干扰信号，通常可通过参考电极的方法移去。产生的原因是电极间距离增大，尤其是从头部到左侧耳极的电极连接以及颈部较短的受检者。小的伪迹表现为心电图的R波，较大的伪迹主要反映心电图的附加成分，很大的伪迹通常是由心脏起搏点的干扰所产生。心电伪迹的间隙大多是相等的，但心律不齐的患者，这种间隙是不等的。
5）血管波伪迹：在头皮动脉附近的电极，可以记录到原话、周期性脑波或三角形脑波，多发生在额或颞部电极。如果能同时记录到心电伪迹，则心电伪迹以不变的周期位于血管波伪迹之前。
6）出汗：描记笔有很慢的漂移，持续时间达数秒为出汗所致的伪迹。这种伪迹在额部最常见，并可影响到临近的几个导程。
7）舌咽部运动伪迹：如讲话、咀嚼、吮吸、吞咽、咳嗽、打呃能引起舌运动的伪迹。
8）义齿：棘波伪迹可能通过不同金属的牙填塞物所引起。

2.物理性伪迹

1）50Hz干扰：其伪迹可以出现在脑电图描记的所有导程。静电伪迹可以由描记室内人员走动或静脉内溶液点滴引起。
2）电极接触不良：
所有导致50Hz干扰可能由于如下原因：
（1）描记室内存在强有力的干扰源。
（2）脑电图机的地线接触不良或地线未连接于受检者。
（3）电力系统或脑电图机能部件缺陷，如果是整个导程的部件所引起的伪迹，则可通过交换另> 一导程相应的组合部件进行检查。

2.7 去除伪迹的方法

2.7.1 脑电图造成伪迹的去除

1.眼动伪迹：通常出现在额部，两侧对称性分布和以波形特征进行鉴别。
排除的方法包括以下几点：
（1）要求受检者消除紧张心理，保持放松状态。
（2）令受检者将手指尖轻压自己的眼部上方或眼睑，可以使较高振幅的眼动波得以控制。
（3）用胶布将棉花固定在眼部，可以中止眼部跳动。
（4）在眼部附近放置电极，以检测眼动和鉴别眼部于额部慢波的关系。
2.肌电伪迹：使受检者全身放松，尤其是颈部、下颌。轻轻闭眼、张口、不吞咽、不咬牙，或者改变患者体位可以减少和消除。单个电极的伪迹，可以通过按摩该电极附近的皮肤和更换电极得以纠正。使用高频滤波装置能够减少快电位的振幅。
3.运动伪迹：可以要求受检者停止运动，即可以消除伪迹。此外，有的患者本身就有不自主运动障碍。
4.心电伪迹：调换参考电极的位置，如果心电还不能排除，则应使用双儿作为参考电极组合的参考导联进行描记，可以使心电伪迹减少。如果必要的话，可使用非脑部平衡的参考电极。
5.血管波的伪迹：可以将动脉搏动部位的电极移至一定的距离，排除血管波伪迹的发生，但新的电极位置应该标明在图纸上。
6.出汗伪迹：
（1）擦干头部汗水。
（2）使通风机或空气调节器作用于受检者的头部。
（3）如上述方法不能有效排除伪迹，则可以替换作用电极和增加低频滤波的作用。
7.50Hz和静电干扰：装置屏蔽使是最有效的方法。如果在监护室或手术室进行脑电图描记，应尽可能远离电力线、减少电机线的摆动、容器内液体或其他物体的电荷运动。
8.电极接触不良：
（1）调整电极位置，使电极与头皮充分接触。
（2）如有电极缺陷，应及时更换。
9.脑电图机的某个机能障碍所致的伪迹：针对此伪迹，可以用交换单独导程的插件方法进行判断和排除。

2.7.2 伪迹去除方法分类

1.避免伪迹产生法：在实验前告诉受试者不要进行能够产生伪迹的动作，但缺点是如心电伪迹等是不可避免产生的。
2.直接移除法：通过观察或者自动识别的方法找出包含伪迹的EEG信号片段，直接删除这些信号。但只能去除一些明显包含有伪迹的信号，对不明显的则无能为力。而且会丢弃大量有用的信号，不利于信号数据比较少的脑电实验。
3.伪迹消除法：
1）回归方法：回归方法是记录t时刻的EEG信号和t-g时刻的EOG信号，然后用Roy等提出的通用滞后模型通过计算得到的t时刻的EEG信号。回归方法是最通用的EOG伪迹去除方法。
2）自适应滤波方法：主要是以采集的EOG作为参考信号，采用自适应滤波消除EOG。He等采取递归最小均方（RLS）自适应滤波方法来去除EOG，该方法是将原始的EEG信号作为输入，将电极放置在眼部周围采集垂直眼电（VEOG）和水平眼电（HEOG），将采集到的水平眼电和垂直眼电作为两路参开输入进行滤波。RLS算法能够有效去除多路EOG伪迹，其稳定性以及快速收敛特性，可以满足实时处理的要求。
3）独立分量（ICA）的分析方法：主要是利用源信号统计独立等以满足的先验条件，从混合信号中重现不可观测的各个源信号分量。经典的ICA算法有：FastICA算法、JADE算法、扩展最大熵算法和informax算法。

2.7.3 消噪预处理方法难以有突破性发展的原因

（1）对EEG信号产生机里缺乏深刻的了解。
（2）缺乏有效的利用非平稳随机信号分析与处理的方法和理论。

2.8 EEG信号的应用领域

1.临床诊断和监测。
2.实验室脑功能研究：认知领域、脑功能与认知相关的科学研究、与眼动相关的研究。
3.脑机接口。