脑电信号处理与特征提取——1. 脑电、诱发电位和事件相关电位（胡理）

目录

一、 脑电、诱发电位和事件相关电位

1.1 EEG基本知识

1.2 经典的ERPs成分及研究

1.2.1 ERPs命名规则及分类

1.2.2 常见的脑电成分

1.2.3 P300及Oddball范式

1.2.4 N400成分

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一、 脑电、诱发电位和事件相关电位

1.1 EEG基本知识

EEG(Electroencephalogram)：脑细胞的自发性、节律性、综合性的电活动。

脑电信号的频率、波幅、位相是脑电信号的基本特征。

周期与频率即是指一个波离开基线到回到基线所花的时间（可以把基线理解为波上下波动所围绕的一条水平线，这是人为定义的一条线，准确定义是：脑波上下偏移的中心轴线）。

基线是人为定义的，且随着人的生理状态而发生改变，如精神极度紧张、呼吸不稳等因素会导致基线不稳，在小儿发育过程中，由于脑功能还不完善，也会出现基线不稳的情况。扯的有点远，关于基线，只需要知道它是一条人为定义的中心轴线即可。下图中红色箭头所指直线即为基线。

波幅指的是一个波的波峰到波谷的距离。因为脑电的基线会因为环境变换而动荡，所以不能简单的依据基线定义波幅。如上图绿色箭头所指直线所示，将两个波谷最低点连接起来，然后取波峰对应的点作直线到波谷最低点连成的直线上，线段的长度即为波幅。正常人脑电图波幅一般为10-100μV，波幅代表了脑电位的强度，波幅大小还与参与同步放电的神经元数目以及同步程度有关。举个例子来说，音乐会上唱歌的观众越多（神经元数目），且唱同一首歌且同一句（同步程度），那么场外记录到的声音越清晰明朗。

位相即指一个横轴代表时间，纵轴代表电位的脑电波，在某一时间点其在基线上或者下的位置，反映的是一个瞬时状态。以基线为标准，朝上的波称为负向波（负性波），朝下的波为正向波（正性波），再次注意负向波与正向波的定义，在后面分析脑电波的时候会经常遇到。如果两个波在某个瞬间位相一致，我们称之为同相位，如果相差180°，我们称之为位相倒置，好比两个人唱歌完全不在一个调上。

幅值：10~100uV

特点：自发性（无时无刻都在产生）、随机性（赋值正负随机变化，无规律性）、节律性（特定频率delta,theta,alpha,beta,gamma,比如图中闭眼的时候会出现α波）、节律性（脑电中样式相同、周期一致、而且是重复出现的活动）

频率和赋值之间有一定的关系。 δ：深度睡眠状态。低频高幅

θ：正常人在深度放松或浅睡眠状态下才会出现，觉醒时候出现属于不正常情况（但青年女性有时候会出现低幅度的）。

α：通常在放松状态下，闭目养神时候出现。人在清醒状态下闭眼时候常出现（犯困）。 

β：紧张、精力集中时候才会出现。 

 ERPs的定义

事件相关脑电位（Event-Related Potentials，ERP）是基于脑电信号提取的，ERP包含在EEG之中，EEG泛指大脑产生的所有电信号，而ERP可以简单理解为EEG当中我们想要的、特定的一部分。

ERP是比自发脑电更弱，一般只有2到10微伏，通常淹埋在自发脑电中，所以ERP需要使用一定的技术手段才能从EEG中提取出来，ERP具有恒定的波形和潜伏期，因此才能够通过叠加平均的方式进行分离。

所有的ERP波形都是时间锁定和相位锁定的。时间锁定是指大脑对刺激事件的反应相对于基线的变化出现在同一时间段内，即潜伏期恒定；相位锁定是指大脑对刺激反应的能量值基于基线的变化方向一致，即波形恒定。

EEG和ERP都是脑电波，ERP是我们因为研究需要，通过技术手段将实验任务中具体刺激物出现时的EEG片段截取出来，再将这些EEG片段进行叠加平均后形成的具有恒定波形和潜伏期的脑电波。

通过叠加平均的方式对ERP成分分离有两个重要的前提条件。第一个是在静息状态时我们大脑神经元放电交错复杂且无规律，EEG波形不锁时也不锁相，在进行多次叠加平均后可近似抵消趋于平稳；第二个由任务事件引发的成分是锁时锁相的，在进行叠加的时候不会被抵消，如下图中将波形进行叠加平均后，ERP成分被很好地分离出来。

 

ERP的两个重要特点：波形恒定、潜伏期恒定（所以可以直接叠加） 。

得到一个ERP波，需要关注两个值：峰值、潜伏期。

1.2 经典的ERPs成分及研究

1.2.1 ERPs命名规则及分类

视觉刺激： 

视觉一般在40ms后会出现，而听觉是直接出现。即听觉会比视觉先做出反应。 

听觉刺激：

体感刺激：（通常用电刺激）

1.2.2 常见的脑电成分

1.2.3 P300及Oddball范式

P300：300ms出现的一个正向波。  

实线：注意实验，虚线：非注意实验。

概率越小，P300越明显波幅越大。靶与非靶均是反比。 

靶刺激和非靶刺激同概率，均会产生P300,但非靶刺激弱，只不过仅仅关注靶刺激的，不关注非靶刺激。

新奇刺激不同于其他类型的刺激，比较新奇。新奇刺激主要产生P3a,其他产生P3b

P3a出现位置比较靠前，也比P3b较短。

1.2.4 N400成分

 与语言相关。出现在400ms左右的波形。上负下正。

语义不匹配或者冲突时候诱发N

运动性失语症：是大脑左半球额叶损伤，即大脑S区损坏所导致的综合征，患者虽然发音器官并没有毛病，却失去了说话的能力，患者仍保留听懂别人说话，以及写字，和阅读的能力。

感受性失语症：不能理解口语或书面语，特别是不能理解或说出口语及说不出物体的名称和性质。

但进一步研究发现，与P300相似，N400也有许多子成分，分别与不同的认知过程相关，有彼此不同的脑内源。而且也发现N400不仅与语言加工有关，面孔、画图等非语言刺激也能诱发N400。