深度解讀 | 腦電設備的工作原理
腦電圖是大腦活動時大量神經元同步發生的突觸后電位經總和后形成，并由放置在頭皮表面或植入顱內的電極采集記錄的圖譜，是使用電生理指標記錄大腦活動的方法。但腦電信號幅度弱、頻率低，容易受環境及其他內源性電生理信號干擾，那么理解腦電設備的工作原理將有利于腦電數據的穩定高效地采集與分析。
01 腦電設備有哪些組成部分
為了獲得高質量的腦電數據，腦電數據采集系統要滿足一定的條件。通常，一個完整的腦電數據采集系統應該由一下幾部分組成：電極、帶濾波器的放大器、數模轉換器（analog-to-digital）和數據記錄電腦。具體來說，頭皮表面電極記錄的電壓信號通過放大器轉換成適當電壓范圍內的信號，然后通過模數轉換器將信號從模擬電壓格式轉換為數字格式，最后通過記錄電腦進行數據存儲。
圖1:腦電記錄系統
02腦電采集電極分類
腦電采集電極為處理設備與腦之間的傳感器，選擇或設計出適用于采集腦電信號的電極材料、保證采集腦電信號的質量是 BCI 技術獲得良好綜合性能的重要前提。
圖2：腦電采集電極分類
濕電極為腦電采集的傳統電極類型，一般采用Ag-AgCl 做電極材料。進行腦電信號采集時，為了克服電極與頭皮之間的阻抗，需在電極與頭皮間涂抹液態或糊狀的導電介質( 導電膏或導電液)。濕電極作為腦電采集電極的“金標準”，有阻抗低、穩定、信噪比高和信號可靠的優勢。但是由于需要涂抹導電膏，實驗準備過程復雜，濕電極存在一些缺點，例如: 電極空間分辨率不高、被 測者會有不適感、長時間采集導電膏會變干從而影響信號采集的精準度等等。
干電極由于不需要涂抹液體導電膠，具有使用方便、使用者感覺舒適、易于便攜式腦電設備的應 用等顯著優勢。但干電極的剛性材料無法緊密接觸頭部，尤其是有發區域，信噪比不夠，容易對皮膚產生損傷，且阻抗過大不利于采集信號。
半干電極( 準干電極)針對濕電極與干電極的缺陷，半干電極的原理如下: 在壓力施加下，電極腔內的電解質微量釋放到頭皮表面，建立相對穩定的電—頭皮界面。可綜合傳統電極與干電極的特點，既兼顧了降低阻抗所需要的電解質層，又避免了干電極對皮膚的創傷。
03腦電采集電極分布
1958年，國際腦電圖學與臨床神經生理學聯合會（international federation in electroencephalography and clinical neurophysiology）制定了腦電圖電極置位置標準方案，隨后美國腦電圖學會（American electroencephalographic society）經過不斷修訂，形成了現在被廣泛使用的國際10-20電極排布系統。具體來說，首先在頭皮表面確定兩條線，第一條為鼻根（Nasion）至枕外隆凸（Inion）的前后連線，第二條為左右耳前凹之間的左右連線，這兩條連線的交點處于頭頂處，即為電極Cz的位置；鼻根至枕外隆凸的前后連線的長度設為100%，沿著鼻根至枕外隆凸的前后連線，從鼻根向后距離為10%的位置定為Fpz電極位置，從Fpz向后每隔20%的距離定義一個電極位置，從前向后依次為Fz、Cz、Pz和Oz，其中電極Oz距離枕外隆凸的長度為10%；左右耳前凹之間的左右連線長度同樣設為100%，沿著這條左右連線，從左側耳前凹向右距離為10%的位置定為T3電極位置，從T3向右每隔20%的距離設置一個電極，從左到右依次為C3、Cz、C4和T4，其中T4電極距離右側耳前凹的長度為10%；電極有特定的字母和數字進行標記，其中
T為顳葉（Temporal）
P為頂葉（Parietal）
O為枕葉（Occipital）
C為中央區（Central，大腦沒有這個區，是為了方便識別更為典型的腦電活動，如運動相關的通常在C3和C4）
“z”表示放置在中線上的電極，偶數表示大腦右側的電極，奇數表示放置在大腦左側的電極。
圖3：國際10-20系統
10-10系統可以看成是10-20系統的擴展，在10-20的基礎之上，在10%的位置上進行電極的擴展，便得到10-10系統。
圖4：國際10-10系統
04 放大器記錄的是什么信號
一般來說，根據在腦電數據記錄過程中的不同的作用，電極可以分為三種類型：活動電極、參考電極和接地電極。每個單獨的腦電電極的電壓波形圖可以被看作活動電極（A）和參考電極（R）之間電勢差隨時間的變化。從理論上來說，參考電極應設置在較遠的位置，絕地電勢為零。因此，A和R之間的電勢差在很大程度上可以反映A附近的電活動。然而，這種完美的參考電極并不存在，事實上在大多數情況下參考位點不是電中性的。因此，活動電極和參考電極之間的電勢差反映了兩個位點的電活動。接地電極主要用于降低接地環路產生的噪聲。大多數腦電數據采集系統包含多個活動電極、一或兩個參考電極和一個接地電極。
腦電采集到的信號為電壓值，是從多個電極獲取的，并不存在單點的電壓值。比如Fz點的腦電信號反應的是Fz點和接地點之間的電勢差，電壓信號實際為：
Fz-GND
放大器則記錄了Fz和接地電極之間的電位以及參考電極和接地電極GND之間的電位 。在此基礎上，放大器再計算Fz和參考電極之間的差值為：
(Fz-GND)-(REF-GND)
因此，放大器的輸出是記錄部位和參考電極之間的電位，抵消了接地電極和它包含的電噪音。
圖5：不同電極類型分布
同時放大器有硬件的內部都裝有濾波器，濾波器的設計會衰減信號的低頻和高頻部分。所以選擇放大器的寬帶越寬，即放大器進行測量的有效頻帶越寬，則所采集的范圍信號越多，但是所產生的噪音信號就越多。
05 如何選擇合適的腦電設備
1.電極類型
電極類型的選擇取決于多種因素，包括所需的信號質量、時間限制、是否具備訓練有素的技術人員，以及腦電系統的便攜性等。傳統的濕電極由于其良好的信噪比和較高的重復性等優點成為臨床和科研腦電測量的主要選擇和標準。但其操作不便、舒適度差、持續操作時間短的缺點也限制了其在穿戴式日常動態腦電監測的應用。
當獲取的腦電信號質量至關重要時，最佳選擇是作為金標準的濕電極；當準備和清理時間至關重要時，并且沒有訓練有素的技術人員可測試時，干電極和半干電極是不錯的選擇；此外，由于半干電極相較于濕電極更舒適，相較于干電極更不易出現偽影，在許多情況下，半干式電極是首選。與此同時，隨著技術的不斷發展完善，許多腦電系統都可配置多種電極，方便不同場景使用。
2.電極數量
多數情況下，推薦32或64個活動電極，但研究高密度腦電電極以及有特殊需求的算法(如空間拉普拉斯變換)的研究除外。
3.電極排布
推薦國際10-20系統。
4.參考電極
在采集腦電數據的過程中，只要電路連接良好，任何位置的電極都可以被作為參考電極，因為這樣研究者總是可以在離線處理數據的時候重新參考。對于未來展示腦電數據時的參考電極，我們建議選擇同研究領域研究者普遍認可的電極。
5.放大器和模數轉換器
對于放大器，推薦高輸人阻抗(至少為100MΩ)和高共模抑制比(至少為100dB)。 對于模數轉換器，推薦高電壓分辨率(超過20位)。
6.模擬濾波器
如果模數轉換器的分辨率足夠高，建議在采集腦電數據時不要使用模擬濾波器，因為可以用更好的數字濾波器對數據進行離線濾波。如果模數轉換器分辨率不夠高，建議在采集數據的時候使用高通濾波器，其半幅截止頻率在0.01~0.1Hz為好。
7.采樣率
在大多數情況下，采樣率在250~1000Hz就足夠了，腦電不需要記錄超過1000Hz的頻率。
參考文獻
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邁爾諾醫療推出的一款強大的多模式 EEG 應用設備。它可以同時測量多達 256 個通道的 EEG 以及其他參數，如 sEMG、HRV、溫度或皮膚電導 (GSR)。
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