第四章 脑电图机 医械系 徐彬锋 本节提纲 脑电图的基础知识 脑电图导联 脑电图机的结构与性能指标 第一节 脑电图机的基础知识 注意：脑电图属于自发的电活动！ 一、脑电图的特征（理解概念） 周期、振幅、相位是脑电图的基本特征。 （1）正常人脑电频率 主要在8～12Hz范围内。 （2）振幅 （3）以基线为准，波顶 朝上为负相波，反之---- 二、脑电信号的分类 根据频率与振幅的不同将脑电波分α波、β波、θ波和δ波。 频率由高到低依次为： β、 α、 θ、 δ波 振幅有交叉。 脑电图的波形随生理情况的变化而变化，一般来说，当脑电图由高振幅的慢波变为低振幅的快波时，兴奋过程加强；反过来讲，当低振幅快波转化为高振幅的慢波时，则意味着抑制过程进一步发展。 三、诱发电位基础知识 概念区分：诱发电位为给机体某种刺激后的脑电信号。 1、视觉诱发电位 2、听觉诱发电位 3、体感诱发电位 第二节 脑电图的导联 回忆：心电图的导联是什么？ 一、10-20系统电极法 二、脑电图机的导联 类似于心电图，脑电图是要描记头皮上两电极间电位差的波形。 导联分类： 1、单极导联法（一极参考电极，一极作用电极） 2、双极导联法（两极作用电极） 零点位（参考电位）的选取一般选取耳垂 单极导联 特例：平均导联，将多个电极各通过电阻后连接在一起作为参考电极。

三种电极的连接方式 第三节 脑电图机的结构与性能指标 一、脑电图机的结构 与心电图机的工作原理基本类似。 问题：心电图机的结构分为哪几部分？ 脑电图机的原理框图 几个与心电图机略有不同的部分 1、输入部分中的电极与电阻检测装置 电极与皮肤接触电阻的大小，直接关系到脑电图的记录质量，所以脑电图机都设有皮肤电阻检测装置。电极与皮肤接触电阻一般在10kΩ至50kΩ之间。超过50kΩ，便会提示。 2、放大部分的时间常数调节器 脑电图机的阻容耦合，不能放大直流信号，对低频信号有较大衰减，所以要考虑对阶跃信号的过渡特性，以及对低频正弦信号频率特性。 脑电图机的时间常数，就是用来反映放大器的过渡特性和低频响应性能的参数。其值越大，表明放大器的下限频率越低，越有利于记录慢波；时间常数越小，对低频信号衰减作用增强，起到了低频滤波器的作用，有利于记录快波。脑电图机时间常数一般包括0.1s、0.3s、1.0s三挡，通常使用0.3s。 3、脑电图机的辅助部分 各种诱发电位刺激器。 二、脑电图机的性能指标及检测 1、最大灵敏度 回忆：灵敏度的概念！ 脑电图机的灵敏度是指输入一定数值的电压后，记录笔偏转的幅度。

脑电图机一般设有多个增益档。 测量最大灵敏度时将增益控制器调到最大，选择某一档位的定标电压，观察记录笔的偏转幅度。 2、噪声电平 脑电图机的噪声电平是指整机电路自身产生的噪声折合到放大器输人端的等效值。一般脑电图机的噪声指标为2μV~3μV。 测试时，应将时间常数置于最小挡，一般取0.3s；滤波置于60Hz，使频带最宽；走纸速度置于30mm/s或15mm/s；定标电压选10μV，灵敏度置10mm/10μV；调整记录笔偏转幅度至10mm（调节增益细调），记录波形，然后观察其抖动幅度范围。若最大抖幅小于2mm~3mm，便是合乎要求的。 3、时间常数 脑电图机的时间常数与心电图机的时间常数其含义和测试方法都相同。 检测时，将脑电图机的滤波选为60Hz，走纸速度任选（如30mm/s），选定某一挡定标电压（如50μV），调节增益使记录笔的记录幅度达到10mm，时间常数任选一挡（如0.3s），测量时使用手动定标记录波形，选择方波定标信号，按下定标键并持续一段时间，直至记录笔记录幅度低于37%以下再松开，记录纸上会得到如图所示波形。 4、共模抑制比 检测共模抑制比时，首先调节好差模电压增益，即校正灵敏度。

方法是选定50μV挡的定标电压，调节放大器增益，使记录波型幅度达到10mm，保持这一灵敏度不变，把定标电压开关旋转到平衡位置，即放大器输入50mV的共模信号，记录此时的波形幅度，即可计算出共模增益，差模增益与共模增益之比即共模抑制比。 5、阻尼 检测方法： 将脑电图机时间常数选为0.3s或1.0s，关断滤波器，选用50μV的方波定标电压，调节增益灵敏度，使记录幅度达到10mm。记录波形，矩形波上升或下降的过冲量不超过5%，即波形幅度不超过10.5mm，说明阻尼适中；若过冲量超过此值，说明频响范围太宽，矩形波高频分量多，属于欠阻尼状态；若矩形波上升或下降沿出现了圆角，说明频带过窄，高频分量衰减过大，属于阻尼过度状态。 6、滤波 脑电图机的滤波指的是高频滤波。 检测方法： 将时间常数选为0.3s或1.0s，走纸速度为30mm/s，定标电压为50μV，调节增益使记录幅度为10mm。首先使滤波器处于关断位置，观察正常阻尼时记录的波形。以此为标准，分别将滤波器开关置于60Hz、30Hz、15Hz，随着频带的变窄，高频分量逐步衰减，矩形波前后沿逐渐由尖角变为圆角。这是正常的变化。 7、频率响应 频率响应是指输入相同幅值的信号时，输出波形的幅值随输入信号频率变化而变化的曲线。

检测方法： 滤波器关断，时间常数取0.3s，定标电压选100μV、10Hz的正弦波信号，调节灵敏度，使记录波形幅度为10mm，观察记录波形脑电仪器，调节记录笔阻尼，使之处于适中状态。然后，改变正弦波的频率，检测不同频率下所记录的波形幅度，即可得出频率响应曲线。要求正弦波记录幅度变化不超过10%，即误差不大于1mm。 8、线性 回忆：心电图机线性的定义？ 1）移位的非线性 2）测量电压的线性 9、灵敏阀 概念：脑电图机所能记录的最小信号的幅度。 检测方法： 首先给脑电图机加100μV的定标电压信号，设定好时间常数、阻尼、增益等各项参数，使描记波形幅度为10mm。然后将定标电压的幅值减小为20μV，调节增益的挡级为原来的1/4，此时要求记录波形应有可以观察到的0.5mm的波动。 10、放大器的对称性 通常把脑电图机放大器对等幅正、负信号的放大倍数的比值，称为脑电图机的对称性。 检测方法： 将灵敏度选择为5mm/50μV，利用手动定标打出定标电压波形，当按下定标电压按钮时，记录笔向上绘出波形后不要松开，待记录笔返回到原来基线位置时再放手，于是记录笔又向下绘出波形，待又回到基线位置时停止走纸。测出上、下波形的幅值即可算出对称性。

同理可检测记录笔处于不同位置时的对称性。 作业 脑电图机单极导联与双极导联的区别有哪些？ 第四节 EEG-7300脑电图机主要电路 典型脑电图机结构框图 一、脑电图机的结构 模拟电路板包括： （1）输入盒；（2）模式选择；（3）前置放大器；（4）主放大器； 控制部分包括： （1）键盘板；（2）LCD显示器和EL逆变器板；（3）CPU板 二、输入盒 脑电信号头部电极从统一的部位引出，采用电极盒将电极与脑电图机连接。每个电极的信号通过互相独立的缓冲放大器送入主机，缓冲放大器的增益是1。 电极盒带有电极阻抗测量装置，便于操作者及时了解头皮电极的接触情况。 阻抗测量电路 框图 三、导联选择 导联选择器是从与电极盒插孔有联系的多个头皮电极中任意选出一对连接到放大器的两个输入端。 由模拟开关组成，并由CPU来控制。 多达16种固定导联，外加2种自由导联，可以自由编程，导联更改也极易实现，所有这些都极大的方便可脑电图的描记。 四、前置及主放大器 主放大器与前置放大器组合在一块电路板上。 前置放大器由四级放大器、时间常数转换电路、高频滤波器、灵敏度转换电路以及交流干扰滤波电路组成。功能转换由CPU发出控制信号改变模拟开关状态来完成。

五、生物电前置及主放大器 本机提供了两个生物电通道用以放大和记录心电等其他生物电信号。生物电前置放大器及主放大器的组成电路与脑电前置放大器非常相似。生物电前置放大器使用两个通用的寄存器输出前置放大器的控制信号，取代了CPU的特定端口。生物电前置放大器通过两个8位寄存器控制，而脑电放大器通过CPU的I/O端口控制。 六、CPU板 Z80 Zilog公司Z80微处理器 ，8位微处理器的典范。 8255 8255为可编程的并行I/O接口芯片。 D0～D7三态双向数据总线，PA8位的数据输出锁存器/缓冲器 ，其他为控制信号。 前置放大器功能代码 电机控制电路 七、电源部分 电源部分包括电源变压器、主电路及高压电路，高压板提供用于光刺激器的高压，电源板为各个电路板提供模拟电源和数字电源，主放大器的模拟电源和数字电源由开关型稳压器提供，其他所有的模拟电源由串行稳压器提供。 第五节 脑电图机的维修 模拟电路用于不失真的放大、记录由脑电极检测到的脑电信号，数字电路则用来控制整个仪器的运作。 模拟电路常见故障排除流程图 放大器到记录器 电极电阻 数字电路故障 （1）存储器数据操作不正确 （2）机器错误（硬件故障） （3）控制程序失效。

目前临床脑电仪器应用情况 1、热笔描记式脑电图机 2、无纸脑电图机 3、脑电地形图仪 4、脑电监护仪 5、脑电HOLTER 6、脑电分析仪 7、脑磁图 脑电地形图 对多导脑电信号进行二次处理。 先计算出各节律在不同头皮位置上的功率，然后再通过差值运算，得出做图所需的像素值，并用彩色或灰度表达其强弱，构成能定量反映大脑机能变化的分布图像，从而把复杂多变的脑机能变化，变成通俗易懂的图形。 MEG具有高灵敏度(能测量极微弱的脑磁信号)，高时间分辨率(能实时性测量功能神经活动)，高空间分辨率(能作功能区或病灶定位)，而且完全无侵损性。 脑磁图MEG测量的是体内神经电流源引发的瞬间磁场。更准确地说，MEG测量的是与细胞内电流(int racellularcurrents)相关的磁场分布，磁信号可毫无衰减地穿透脑组织和颅骨，检测磁场的传感器不用接触头皮。 脑磁图系统的技术核心是超导物理学和低温技术。 超导量子相干器件(SQUID) MEG和EEG区别： EEG所记录信号发生源是神经细胞的突触后电位(兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位) 和细胞外的容积传导电流。MEG记录的是由突触后电位引起的细胞内离子电流所产生的磁场。

人体两电极之间阻抗 MCS-51单片机系统结构 CPU 运算部件 控制部件 B RAM P0口 P2口 ROM (EPROM) 串行口 C / T 中断 系统 SFR P1口 8 P3口 8 8 8 XTAL1 XTAL2 PSEN ALEEA RESET Vcc Vss 1.微处理器 2.数据存储器 3.程序存储器 4.I/O口 5.串行口 6.定时/计数器 7.中断系统 8.特殊功能寄存器 片内总线 8051单片机引脚 控制引脚 并行I/O口引脚 电源及时钟引脚 75 50 30 20 15 10 7 5 3 3 2 1 0.1 0.3 1.0 15 35 70 OFF* 项目 EAD7 EAD6 EAD5 EAD4 EAD3 EAD2 EAD1 EAD0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 参考时钟 脑电地形图的原理 A/D转换 脑电采集 FFT变换 频带分类 插值计算 求等效电位 脑电地形图的应用 1、各种脑血管病的诊断 2、各种脑肿瘤的定位 3、癫痫、痴呆、心理学及精神分裂症状 脑磁图（MEG） * * 分线盒 台车 主机 放大器 诱发电位的测量部位及临床价值 听觉通路缺陷疾病 脑干上 声音（咔嗒声、爆发声、白噪声） AEP 外周神经纤维和皮层之间脊柱通路的疾病 感知皮层上 电流刺激 SEP 多发性脑硬化外周神经伤害神经病 头皮枕叶部 闪光或视觉图形刺激VEP 临床诊断价值 测量部位 刺激方法 类型 接触电阻测量 脱落检测 电极接触电阻测量 一般有 无 时标信号 8 16 32 1 4 12 通道数 5 10 20 50 100?V 1mV 定标电压 多种时间常数 一般为单一时间常数 时间常数 Ag-AgCl 表面电极 电极 3?V 10?V 等效输入噪声 10M? 2M? 输入阻抗 100dB以上 100dB CMRR 100dB以上 80dB 放大器增益 2-200?V 0.01-5mV 信号强度 脑电图机 心电图机 项目机型 心电图机与脑电图机比较表 *

* 时频分析-脑电节律 * 电极视为节点-大量神经组织的突触后电位同步总和-以相位的同步性来分析电极之间的信息交流的强度 -相位滞后指数（PLI）-稀疏处理 网络参数：节点度、聚类系数 * * 医学临床价值不如核磁 * 通过脑电帽采集信息 特征：早年-时域、频域上找特征，信息学特征（熵）-机器学习//现在-原始脑电/地形图、时频图/-神经网络 将特征翻译成需要的机械控制信号（只负责前边部分） * ECoG 和音频数据同时被记录下来。然后语音解码软件被用于确定声学数据中元音和辅音的时间。然后 ECoG 模型通过计算所有与特定音素（phone）有关联的片段的均值和协方差而为每个音素单独接受训练。 Brain-to-text 系统的解码过程。Broadband gamma power 被提取出来用于 ECoG 数据的短语。然后通过结合 ECoG 音素模型的知识、词典和语言模型解码出最有可能的词序列。 * CVPR * * * * * * * * * （1）日本：中注意力时，则会竖起来；身心疲倦时，它也会平躺着。 （2）MindFlex 来自著名的玩具巨头美泰：集中精力，耳机会接收你的脑电波脑电设备，感应器会做出反应，让那个蓝色的小球漂浮在空中，你可以用意念控制它的高低（意念越集中，小球漂浮的越高），然后去飞过各种小障碍 （3）美国神念科技 NeuroSky 公司推出的一款脑电波耳机。

NeuroSky 在智能穿戴领域已经是颇有名气的生物电传感芯片供应商 （4）脑电波耳机：MindWave 是 NeuroSky 针对行业应用和开发者的一款产品。 它安全捕抓脑电波并输出脑电功率谱，不同的脑波模式会发出不同振幅和频率的脑电波。例如，当脑波位于 12 到 30Hz 之间时，即 Beta 波，表示大脑正处于专注状态。当脑波在 8 到 12Hz 时，即 Alpha 波，表明大脑正处于平静放松的状态。 （5）这款 BrainLink 意念力头箍来自国内的宏智力科技，是国内首个民用化的脑波穿戴式产品，能判断佩戴者不同的大脑状态显示不同颜色的灯光 （6）国脑波产品厂商 Emotiv，优点是可以探测出更多脑波信号，实现更多的操控方式，例如前后左右。但是过多的传感头大大增添了佩戴的难度，而且每次使用都要经过一个对每位用户的脑波识别过程，比较繁琐 * 脑电与脑机接口 6 脑电的优缺点 脑电设备便携 记录方式简单 解析时间快 精度低，噪声多 不易直观解读 易受影响 样本量小 个体差异大 脑电与脑机接口 6 BCI 6 脑电与脑机接口 脑机接口系统组成 6 脑电与脑机接口 神经信号的自动语音识别 实验与数据采集 Brain-to-text 系统解码过程 Christian H, Tanja S. Automatic Speech Recognition from Neural Signals: A Focused Review:[J]. Frontiers in Neuroscience, 2016, 10. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类 Spampinato C, Palazzo S, Kavasidis I, et al. Deep Learning Human Mind for Automated Visual Classification[J]. 2016:4503-4511. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类 Spampinato C, Palazzo S, Kavasidis I, et al. Deep Learning Human Mind for Automated Visual Classification[J]. 2016:4503-4511. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类 Spampinato C, Palazzo S, Kavasidis I, et al. Deep Learning Human Mind for Automated Visual Classification[J]. 2016:4503-4511. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类 Spampinato C, Palazzo S, Kavasidis I, et al. Deep Learning Human Mind for Automated Visual Classification[J]. 2016:4503-4511. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类 Spampinato C, Palazzo S, Kavasidis I, et al. Deep Learning Human Mind for Automated Visual Classification[J]. 2016:4503-4511. 6 脑电与脑机接口 脑电波与视觉分类-结果 6 脑电与脑机接口 脑电与工作记忆状态分类 6 脑电与脑机接口 脑电与工作记忆状态分类 被试信息：15名被试（删除两人），每人240个Trials 采集信息：64通道脑电，500HZ 任务：工作记忆，看图进行记忆，展示的图片分别有2/4/6/8个字母，分为四类（区分mental load） 数据信息：一共有240*13=3120个Trials，取其中分类正确的Trials共2670个 6 脑电与脑机接口 脑电与工作记忆状态分类 被试信息：15名被试（删除两人），每人240个Trials 采集信息：64通道脑电，500HZ 任务：工作记忆，看图进行记忆，展示的图片分别有2/4/6/8个字母，分为四类（区分mental load） 数据信息：一共有240*13=3120个Trials，取其中分类正确的Trials共2670个 脑电数据处理：原始脑电经FFT变换，得到三个频段的功率谱密度，将alpha/beta/theta三个频段的图片合成三通道的脑电图，每个Trials（3.5s）取7个0.5s的时间窗,按时间顺序排成序列 对脑电图进行卷积 卷积之后的脑电图作为序列的输入使用循环神经网络提取时间上的信息 全连接层进行分类 两种模式 single-frame approach：对一整个Trial计算能量，使用卷积网络分类（找到效果最好的卷积部分的结构） Multi-frame approach：每0.5s的时间窗进行能量计算，排成序列，使用Recurrent-Conventional network 进行分类 卷积结构：参考VGG的网络结构（2015）[反复堆叠3*3的卷积核] 循环-卷积结构 Max-pooling over time：直接使用池化层 Temporal convolution：加入一个在时间维度上的卷积层 LSTM：卷积之后加入循环网络 Mixed LSTM/1DConv 发展现状 发展现状 7 一些产品 谢谢 Thanks 1.图像不熟 2.脑电 * 1.研究所名字 2.很多课题组 3.项目组：仿人-最大（核心）； （图片）早年借鉴日本搭的平台，近几年只做了一些改进 4.论文组：【曾经以为……】前沿-论文、养细胞、养老鼠、做实验 * 1.实验室 2.老师（千人）-触觉脑拓扑-理想目标（触觉与机器人） 3.脑拓扑：脑分区-实验设计（参照高分论文） 4.数据分析（硕士生） * 1.用以调节注意力、改善脑功能、增加记忆之类 2.直流电刺激：仿真-动物实验 3.神经反馈（玄） * 1.中科院、中科大、港科的论文 2.十五年计划-中国脑计划：核心-理解人类的认知基础 3.认知神经回路：认知机制 疾病早期诊断和干预（以AD核磁为例） 动物研究、脑启发计算、中医药 机器与人工智能：1.脑控机器人 2. 机器人拥有自主的感知、认知、情感 * * * 1.自发脑电：癫痫、昏迷（静息态脑电） 2.诱发脑电：实验（任务太脑电） * 对人脑上电极放置位置的划分 * * 颅内电极：噪声少，易处理/中医 * 湿电极：针筒打导电膏 干电极：新技术-商业化基础 * 1.描述不同的任务 2.介绍“刺激”与“Trials” * * 脑电与BCI 脑电那些事 1 实验室简介 2 脑科学与脑电 3 脑电设备与数据采集 4 脑电数据处理 5 脑电与脑疾病 6 7 发展现状 8 发展前景 目录 脑电与脑机接口 实验室简介 实验室简介 1 项目组 论文组 1 实验室简介 脑科学与神经技术 1 实验室简介 脑科学与神经技术 脑科学与脑电 脑科学与脑电 2 中国脑计划(2016-2030) 认知的神经回路机制 脑部疾病的 早期诊断和干预 非人类灵长类 动物研究 脑启发计算 机器与人类智能 中医的引入 Poo M M, Du J L, Ip N Y, et al. China Brain Project: Basic Neuroscience, Brain Diseases, and Brain-Inspired Computing[J]. Neuron, 2016, 92(3):591-596. 脑科学与脑电 2 脑电原理 神经细胞的跨膜静息电位为-70mV，为静息状态，受刺激后，膜内电位上升，开始除极化，形成动作电位。

由于组织很厚，而单个神经元电活动非常微小，不能在头皮记录到。能在头皮上测量到的是由大量神经组织的突触后电位同步总和而成 脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动形成的，同步化作用通常认为受脑干的控制 脑科学与脑电 2 脑电的发现史 1875年英国的克顿首先在兔子以及猴子的大脳皮质层测到直流电压信号。 1924年德国的精神科医生翰思贝鲁加发现人脑也产生一种电信号。 1929年翰思贝鲁加首次发表了「人脑的电信号」的论文。 1933年英国的尔多里安等人进一步证实并确认了脑电信号。从而形成了脑电图理论。 脑科学与脑电 2 脑电的测量 通 道 时间 自发脑活动：在无明显感觉刺激情况下，大脑皮层经常自发产生的节律性电位变化。(10~100uV,