ERP技术原理精讲.ppt

ERP技术原理魏景汉 中国科学院心理研究所 一 EEG对ERP的淹没与叠加基本原理 一 特性 1 淹没 约2微伏 10微伏 2 两个恒定 潜伏期 波形 二 出现 1947Dawson首次报道用照相叠加技术记录人体EP 1951Dawson首次发明机械驱动 电子存储式EP叠加与平均方法 张明岛等 1995 开创了神经电生理学的新时代 Nd 1 N2 P3 P300 计算机不设置负值 只有正值 波的低谷也为正值 故噪声叠加也增大 而不是互相抵消 信噪比的提高值与叠加次数 例 原信号2微伏 噪音10微伏 0 2 叠加100次后 2微伏 100 10微伏 200微伏 100微伏 2二 噪音 干扰 伪迹的概念噪音 自发电位 仪器的本底噪音 干扰 50Hz市电 伪迹 被试的EOG 运动电位等 EEG放大A D叠加总测量转排伪存盘平绘图EOG模滤换数滤均统计光盘记录 离线式 三 ERP数据提取过程 一 增益 Gain 放大倍数Amplification 1 一般取105 2 含HeadBox150倍 3 VEOG与HEOG应减小 4 分贝与放大倍数的关系 1dB 20logA logA dB 20例如 A 10000 则可表示为80dB 120dB 则logA 120 20 6 A 106 5 易犯错误 取值过大而超限 表现为削顶 甚至成为直线 二 共模抑制比 辨差比 Commonmodelrejectionratio CMRR 减少50周干扰的能力CMRR Ad Ac Ad 异相信号放大倍数 Ac 同相信号放大倍数 Ac 1 例如 Ad 50000 Ac 1 20 则CMRR 106 120dB 三 通过模拟滤波 设定频带宽度 减少噪音与干扰 1 频响曲线 任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行放大 对超过者不放大 该范围表示为频响曲线 频率Hz 放大倍数Ad 0 7 FL Fh 频率响应曲线 频带宽度 约0 7 倍Ad时 高低频响间频带宽 范围的两端皆可调 2 时间常数 TC 1 2 fL fL为低端频响 低端频响 高通 high pass 值 高端频响 低通 low pass 值 3 设定频带宽度 使其仅够放大拟研究的ERP信号 则落在频带外的噪音与干扰信号不被放大 达到排除噪音与干扰信号目的 频带宽度的设定数值将直接影响ERP波形是否失真 至关重要 时间常数对波形的影响 若TC 10 则FL 1 2 TC 1 62 8 0 0159Hz若TC 1 则FL 1 2 TC 1 6 28 0 159Hz若FL 0 01Hz 则TC 1 2 FL 1 0 0628 15 9若FL 0 05Hz 则TC 1 2 FL 1 0 314 3 18若FL 0 1Hz 则TC 1 2 FL 1 0 628 1 59ERP晚成分一般应取FL 0 01Hz 最多取0 05 见上图 4 易犯的错误 off line进行不必要的数字滤波 digitalfilter on line进行陷波 Notch 低端不够低 四 数字滤波 一般不用 用于陷波去50周干扰 或只留慢波等特殊情况 五 ERP采样 sample 分辨率及A D转换原理 举例说明 1 A D转换卡Analogtodigitalconverter采样分辨率 12bit 位 输入电压范围 5V 超过者视为 5V而失真 12bit意味着212 4096 可将输入电压10伏分为4095个等级 每个等级10V 4095 2 442mV 若Ad 20000 则还原为放大前的脑电分辨率 2 442mV 20000 0 1221 V 即 0 1221 V的脑电变化就测不出来 为提高脑电分辨率 根据上列公式 可以 1 提高采样分辨率 现已多用14bit 每个等级10V 16383 0 61mV 若Ad 20000 则还原为放大前的脑电分辨率0 61mV 20000 0 0305 V 2 在可能的范围内增大Ad 若Ad 20000 则还原为放大前的脑电分辨率0 61mV 20000 0 0306 V 若Ad 40000 则还原为放大前的脑电分辨率0 61mV 40000 0 0153 V 例如 有5 V的脑电信号 若基线为15 V 则处于20 V的位置 放大后不得超过5V 则最多只能放大5V 20 V 250 000倍因为20 V 250 000 5V 已达极限值 若基线为0 V 则处于5 V的位置最多可放大5V 5 V 1 000 000倍因为5 V 1 000 000 5V 才达极限值 为了增大放大倍数Ad 应调节脑电基线接近零 以便进一步充分放大脑电信号 又不致超出 5伏的采样范围 调节脑电基线接近零可防止不必要的失真 例如脑电20 V 基线200 V 共220 V 放大30000倍后脑电成为6 6V 溢出的1 6V被削顶失真 若基线为0 则20 V放大30000倍为0 6V 正常 2 为什么ASCII码文件的数据只有16的整倍数数字 这是内存位数与A D转换卡的位数关系造成的 16位机每个内存单元最大存储值为216 65536 去掉4个标志位 剩65536 24 65520 上述12bitA D转换卡分为4095个等级 则每个等级 65520 4095 16 3 采样速度 时间精度 每个Epoch最少125点 一般256点 决定于波宽 六 排除伪迹与校正伪迹 CNT文件 例如EOG 1 排除EOG的基本原理 2 易犯的错误 对Epoch文件进行EOGrejection 采用新的PCA ICA方法进行EOGrejection 甚至电极帽没有EOG双极导联 只能用PCA方法排除EOG 厂家问题 一 国际10 20系统双耳孔间依10 与20 定出5个点 鼻根与枕骨粗隆间经Cz依20 定出2个新点 双侧T3与T4 前后距鼻根与枕骨粗隆10 处 共4点连线成一周 按20 定出8个新点 空间等距距离地定出4个点 有效电极共19个点 再加两个耳垂参考电极 共21个点 四 导联方法 二 单极导联与双极导联 三 多导与定位1 头颅形状 大小差异的解决 2 偶极子溯源 四 参考电极问题单极导联的参考电极是各导放大器的一端共同连结的部位 各导的电位都是与它的电位相减的结果 理想的参考电极点应该是电位为零或电位恒定的部位 但是人体是一个容积导体 生物电无处不在 无时不变 这样 理想的参考电极应放在无限远处 其脑电为零 各有效电极的电位不受生物电影响 相互间具有绝对的可比性 但这样的部位是不存在的 在过去生物电研究的100年间 关于参考电极的争论从来没有停止过 是目前仍无结论的问题 参考电极的设置显然对数据有明显影响 因此这是一个重要的问题 这里仅简单讨论几种目前常用的脑电参考电极设置 1 双耳参考 将双耳乳突或耳垂连接作参考电极 由于乳突或耳垂的脑电一般较小 将其连接所得的平均电位作参考不会造成脑的两半球电位关系的失真 故已成为经典的方法 2 鼻尖参考 将参考电极放在鼻尖 由于双耳参考法不能观察乳突附近脑源的活动 而有的脑电如听觉MMN的一个源恰在乳突附近 所以在研究源位于乳突附近的脑电活动时 常常将参考电极放置在鼻尖 3 平均参考 在用普通参考电极记录EEG后 求出全部记录点的平均值a 以各记录值减去该平均值后的差值作为实际的脑电数据 其目的在于消除原始记录中的参考电极电位变化所形成的误差 该法的优点是可以排除记录电位所受到的参考电极点电位的影响 其缺点在于它是基于理想的头颅条件计算出来的 与真实情况相差很大 因此它所带来的误差是不容忽视的 4 有的软件为求源需用具体座标植作参考 因此只能以一个实点作参考电极 一般选用一只乳突 由于两只参考电极会自动连在一起 故另一只参考电极应该闲置 此时为解决半球对称问题 可取一只无用的电极 例如耷拉在帽子外的未用电极或HEOG电极等 贴在另一只乳突上 各有效电极的ERP值皆减该电极记录的乳突ERP值之半 即得两乳突连线作参考之ERP值 因为两乳突连线作参考实为各点皆减其均值 现其均值即是该乳突ERP值之半 另一种算法是求两乳突各作一次参考 然后平均 具体做法是各点皆减该乳突ERP值 与一只参考记录值相加除2 结果是一样的 设某电极在第1只乳突参考时记录值为ERP1 在第2只乳突参考时记录值为ERP2 第2只乳突在第1只乳突参考时记录值为ERPx 则ERP2 ERP1 ERPx 两次平均为 ERP2 ERP1 2 ERP1 ERPx ERP1 2 ERPx 2 5 现在有些求源软件已不再要求用户给出参考电极座标