ERP技术原理PPT课件.ppt

.,1,ERP技术原理魏景汉（中国科学院心理研究所）,.,2,1875RichardCaton等首先在暴露的家兔脑表发现脑的自发电活动1924HansBerger首次在颅骨损伤病人大脑皮质和和正常人头皮上记录到EEG1929HansBerger首先发表头皮记录的EEG论文，并报告心算可引起EEG的节律减少。当时电生理学家正致力于动作电位研究，认为Berger观察到的EEG节律是一种噪音。1934Adrian等、1935Jasper等也观察并证实了Berger的观察，EEG的客观存在才得到了认可。EEG含有心理与生理信息，但不是信息引起的波形本身ERP是信息引起的波形本身，但淹没在EEG中，通常观察不到，需提取,EEG的发现,.,3,一、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：1935-1936PaulineandHallowellDavis首先在清醒人记录到感觉EP。1939Davis等首次发表ERP论文，单次刺激诱发，EEG平静时记录。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。1962GalambosandSheatz首次发表计算机平均叠加ERP论文。1964GreyWalter等发表第一个认知ERP成分（CNV），标志着ERP研究新时代的开始。,.,4,1966:1771967-68:15011969-70:19711971-72:20631973-74:22161975-76:25381977-78:26241979-80:34451981-82:42081983-84:44161985-86:45381987-88:46101989-90:48041991-92:54791993-94:53861995-96:54611997-98:58881999-00:62052001-02:62992003-04:6996,ERP的发展趋势,.,5,（三）EEG对ERP的淹没与叠加基本原理,.,6,.,7,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。,.,8,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,.,9,（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。,.,10,（二）共模抑制比（辨差比，Commonmodelrejectionratio,CMRR）减少50周干扰的能力：信号双边输入，输出两边之差。CMRR=Ad/Ac,Ad：异相信号放大倍数。Ac：同相信号放大倍数。Ac1。例如，Ad=50000，Ac=1/20，则CMRR=106=120dB。,.,11,.,12,（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。,.,13,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。,.,14,(2)时间常数：TC=1/（2fL），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。,.,15,时间常数对波形的影响,若TC=10，则FL=1/2TC=1/62.8=0.0159Hz若TC=1，则FL=1/2TC=1/6.28=0.159Hz若FL=0.01Hz，则TC=1/2FL=1/0.0628=15.9若FL=0.05Hz，则TC=1/2FL=1/0.314=3.18若FL=0.1Hz，则TC=1/2FL=1/0.628=1.59ERP晚成分一般应取FL=0.01Hz，最多取0.05，见上图。,.,16,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。,.,17,（五）A/D转换精度ERP的波幅分辨率。举例说明。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10V4095=2.442mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率=2.442mV20000=0.1221V.即0.1221V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10V16383=0.61mV.若Ad=20000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV20000=0.0305V.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0.61mV20000=0.0306V.若Ad=40000,则还原为放大前的脑电分辨率0.61mV40000=0.0153V.,.,18,例如,有5V的脑电信号.若基线为15V,则处于20V的位置，放大后不得超过5V，则最多只能放大5V/20V=250,000倍因为20V250,000=5V，已达极限值.若基线为0V,则处于5V的位置最多可放大5V/5V=1,000,000倍因为5V1,000,000=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50V，基线200V，共250V，放大30000倍后脑电成为7.5V，溢出的2.5V被削顶失真。若基线为0，则50V放大30000倍为1.5V，正常。,.,19,（六）A/D转换速度（采样速度）ERP的时间分辨率在A/D转换精度足够的情况下，A/D转换速度，即采样速度决定着ERP的波幅精度与ERP的时间分辨率（见图）。ERP时间分辨率高的根本原因是由于它是对神经元自身活动的测量，而不是像PET、fMRI、光成像那样只是对神经元代谢产物的测量。其次，电子技术的发展使采样率大为提高，也为ERP的高时间分辨率提供了保障。目前ERP的时间分辨率在理论上已可达到微秒级。实际上，在记录早成分时，由于它在10ms内有七、八个波，记录由256点以上组成，因此点间距即时间分辨率小于40s。一般的ERP仪器采样频率也大于2000Hz/导，即时间分辨率0.5ms。总采样频率=（频率/导）*导数。减少导数则时间分辨率相应提高。设置时间分辨率的一般原则是，组成Epoch的点数应等于或大于128点。,.,20,理论上，A/D转换精度与采样速度的设置应该同时考虑，做到匹配，否则将达不到设置精度，造成浪费。因为，如果采样速度过快，两点间时间过短，其间的电位变化小，受转换精度限制不能显出差异；如果采样速度过慢，两点间时间过长，其间的电位变化大，转换了几个等级才采一次，高转换精度产生的电位差不能被采到。实用中，A/D转换精度是由硬件固定了的，我们要根据所观察波形的疏密程度设置采样速度。,.,21,（七）排除伪迹与校正伪迹：CNT文件。例如EOG。（1）排除EOG的基本原理：,.,22,（2）易犯的错误：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）,.,23,（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。,.,24,（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，其生物电为零，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常用的脑电参考电极设置。1、双耳参考：将双侧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，较符合要求，而且以其连接所得的平均电位作参考，与两半球距离相同，不会造成脑的两半球电位关系的失真，故曾经长期成为经典方法使用。其优点还有，由心脏中的偶极子产生的体表电流会循环流过头部，从而在脑电电极处引起虚假的电位变化。由于双耳间的低阻通路会短路心电电流，从而阻止其在头部的流动，因此连接双耳作参考点可减少ECG干扰。但双耳电位在脑的活动中也在不断变化，且二只耳的电位未必相同，因此这种强制双耳电位相同的做法实为局部短路，会扭曲脑电源在头表产生的电位分布。且不能测量乳突附近的脑电变化，如MMN。该法现已过时。,.,25,2、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。依据是，假设人脑和颅骨是均匀的圆球体，球体表面均匀放置足够的记录电极，偶极子位于球心。此时脑电源形成的全部电极点的固有电位的和应该为零，当然平均值Vi=0。由于实际记录时必须设置参考电极，各点皆从固有电位中减去了参考电极点的固有电位x（这是脑电差动式放大器放大EEG的必然结果），所以全部各点记录值的平均值变成了Vix，这个值就是上述a，即a=Vix=x，x=a。拟恢复为固有电位，应每点皆加参考电极点固有电位x，即减a，所以上述做法是正确的。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，得到固有值。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。,.,26,4、单耳参考：目前较好的方法是以一只乳突/耳垂为参考进行记录，然后再转换为双乳突/耳垂为参考之值。该法既具有上述双耳参考之基本优点，又避免了物理连接造成的电位分布失真，故成为目前常用的方法。建议统一采用左乳突作为参考电极记录。由于两只参考电极在原帽子内已连在一起，故此时要将另一只参考电极应该闲置。将一枚有效电极改连在右乳突上，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）贴在右乳突上，使成单极导联。记录后，各有效电极的ERP值皆减右乳突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，现其均值即是左乳突ERP值加右乳突ERP值之半。证明1：设作参考的左乳突ML的固有电位为Lm，右乳突MR的固有电位为Rm，则其均值为(Lm+Rm)/2。ML作参考后MR的记录值r=Rm-Lm，移项得Rm=Lm+r。代入上式ML与MR的均值即得(Lm+Lm+r)/2=Lm+r/2。由于各点记录值已减Lm，故应再减r/2。,.,27,证明2：设A点的记录值为a，固有值为A，则a=ALm设右乳突的记录值为r，则r=RmLm设拟求的A点在左右乳突均值作参考时的值为a，则a=A(Lm+Rm)/2=ALm/2Rm/2=A(LmLm/2)Rm/2=ALm+Lm/2Rm/2=(ALm)(Rm/2Lm/2)=(ALm)(RmLm)/2=ar/2,.,28,无论以左耳还是右耳为参考记录，换算的双耳作参考的ERP值是相同的：设：A点在左侧乳突作参考时的记录值为aL，右侧乳突记录值为rR,换算为双乳突作参考的计算值为aLA点在右侧乳突作参考时的记录值为aR，左侧乳突记录值为rL,换算为双乳突作参考的计算值为aR求证：aL=aR证：aL=aLrR/2=(ALm)(RmLm)/2=ARm/2Lm/2aR=aRrL/2=(ARm)(LmRm)/2=ARm/2Lm/2aL=aR,过去有的软件为求源需用具体座标值作参考，因此只能以一个实点作参考电极，现在有些求源软件已不再要求用户给出参考电极座标，自动地以全部电极均值作为参考，而不管用户的参考电极位置。此时仍可用单侧乳突/耳垂作参考电极记录。,.,29,5、以左侧乳突为参考记录，如何换算为其他点作参考之值有人认为，求源软件如BESA应以中线点为参考，以便左右半球对称，此时应换算为该点作参考之值。方法：该点作为有效电极记录，然后从各点记录值中减该点记录值即可。证明：设：拟作新参考电极点的固有值为C，某点换算后之值为，余设同上。证：,.,30,6、有人认为，求源软件如BESA应以中线点为参考，以便左右半球对称，因此有的帽子以中线上Cz与CPz之间的一点作参考。此时ERP值应转换为双侧乳突连接作参考之值。方法：双侧乳突皆作为有效电极记录，然后从各点记录值中减双侧乳突记录值之均值。证明：设：参考电极点的固有值为C，余设同上。证：,将上列各式代入，则,.,31,五、ERP的研究分类（一）按感觉通路：AEP、VEP、SEP（二）按潜伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。,.,32,（三）命名法：正P负N潜伏期。如P300,N400,N170。（四）向上为负。（五）成分、外源性成分、内源性成分和纯心理波的概念。纯心理波：运动前电位、刺激遗漏成分、解脱波。,.,33,六、几个常见问题（一）Greenhouse-Geiser矫正法（出版标准）ERP数据的统计处理一般采用重复测量的方差分析。方差分析以方差齐性为前提，可是通常ERP实验不同组（条件）间的数据是不同源的，非为齐性，所以应该对P值进行矫正。Greenhouse-Geiser法是被规定接受的矫正方法。在SPSS统计软件包中，当进行ANOVA（或MANOVA）时，会出现几种供选择的结果，此时选择Greenhouse-Geiser矫正结果即可。该法得到一个值，它小于1，用它乘以原自由度df，得出新的自由度df，这就是矫正后的自由度。这样，这个df一般是小数。用df和原t值运算就得出了矫正后的P值。在实验报告中需要报告df或值之一，不能只报告矫正的P值。ERP工作者可以不管此计算过程，只要会用就可以了。该法的具体计算可读JenningsJR&WoodCC(1976),Psychophysiology,13,277-278。,.,34,重复测量的方差分析简单来说，对于两个因素A和B，如果A的每一个水平Ai（i=1,2,3,.a）与B的每一个水平Bi（i=1,2,3,.b）都相碰一次，而且AiBi又有两个以上的观测值（例如14名被试的14个值），就叫做双因素有重复测量的交叉分组。该方差分析即为重复测量的方差分析。如果AiBi仅有一个观测值，即为无重复测量的方差分析。换句话说，若每个被试接受所有因素的每个水平的实验（刺激），即被试内设计，则其方差分析为重复测量的方差分析；若每个被试接只受一个因素的一个水平的实验（刺激），即被试间设计，则其方差分析为无重复测量的方差分析。前者可最大限度地减少被试个体差异对因素间差异的影响，且节约被试，但需防止疲劳和顺序效应。,.,35,（二）同一成分波峰测量法找出最大峰之电极与潜伏期，以其潜伏期为准测其他各电极位的波幅。（出版标准）（三）条件间ERP分布差异检验的数据归一化产生ERP的脑内源决定ERP的头皮分布。如果在不同时间或不同实验条件下，脑内源相同，那么其ERP的头皮分布也是相同的。反之，如果不同实验条件下或同一实验条件的不同时间，ERP的头皮分布不同，则其脑内源一定是不同的。因此，确定不同实验条件或不同时间ERP的头皮分布是否相同及其差异部位，是通过ERP研究脑机制的重要内容。地形图是表达ERP的头皮分布的形象而直观的方法。统计学ANOVA得出的条件（或时间）与电极间的交互作用显著性是确定不同实验条件或不同时间ERP的头皮分布是否相同的必要方法。,.,36,电极点波幅在不同条件下的绝对差异会严重影响交互作用的显著性。例如，两种条件下三个电极的波幅值分别为（1，2，1）与（2，4，2），ERP的头皮分布或地形图形状是相同的。但ANOVA却得出了交互作用显著的错误结论。这是由于ANOVA赖以判断差异的依据是同电极间的绝对差异是否相同（此例差异为1，2，1，不同），而判断ERP的头皮分布或地形图形状差异应依据电极间的相对差异（比值）是否相同（此例为2，2，2，相同）。为此，必须在进行统计检验之前先去除条件间波幅的绝对差异，即对数据进行归一化（scaling）。主要归一化方法有两种，皆为McCarthy&Wood（1985）所提出。1、正常化（normalization）。即找出平均后每种条件下某波各电极点的最大值和最小值，每个数据都减去最小值，所得差值除以最大值和最小值的差值。公式如下：原始数值最小值最大波幅值最小波幅值这样，全部数据都变成了0至1之间的值。此例两种条件下三个电极的波幅值都变成了0，1，0，ANOVA自会得出无交互作用的正确结论。然而，这种方法也有一定的问题，即有时会掩盖不同条件下头皮分布之间的真正区别（Haig,Gordon,&Hook,1997）。,.,37,2、矢量转换法（Vectorscaling）。“出版标准”（2000）和McCarthy&Wood（1985）皆认为它是比正常化更为可靠的方法，因为它考虑了全部数据，而正常化只考虑最大值和最小值。这种方法的算法是，首先做全部被试的总平均，将其某波各电极点之值平方，然后求出其每种条件下全部记录点均值的方根（root-mean-square，RMS），这样，每种条件皆得一个RMS。每个数据除以其RMS即得到矢量转换后的数值。上例若两种条件下三个电极的的总平均值分别,这里ERP的“总平均值”就是统计中所使用平均值。以除第一个条件的平均值（1，2，1），以除第二个条件的平均值（2，4，2），则转换后三点的值都变成了0.70，1.41，0.70，ANOVA自会得出无交互作用的正确结论。目前尚未证实以被试自己的RMS转换数据的可应用性，故必须使用上述被试总平均的RMS转换数据。,为（1,2,1）与（2,4,2），则RMS分别为和,.,38,需要注意的是，ERP是以叠加平均后的数据为基本数据进行计算的，且叠加前的各次数据信噪比不够，不得用以进行归一化。其次，经过上述归一化的数据只能用于评估ERP分布（即地形图形状）和实验条件之间交互作用的可靠性，其它情况下不需要对数据进行归一化。在报告实验结果时，只需说明交互作用是经过某某归一化的数据验证的即可。归一化后的数据不能当作ERP分布的数据去使用。由于原始数据的最大差异点的数值在归一化后的数据中可能会减小，因此，对ERP分布或地形图形状的差异进行解释时应同时顾及归一化和未归一化的数据。,.,39,（四）以反应为原点叠加一般ERP研究是为了观察ERP与心理因素的相关性，拟研究的心理因素发生的时间与刺激的出现相关，故以刺激呈现为原点叠加。可是在有些实验中刺激呈现与拟研究的心理因素发生的时间相关性差，尚不如与反应的相关性。例如一条条呈现谜语令被试猜，猜出来即按一下电键，研究猜出谜语时的脑机制。此时被试猜出各条谜语所需要的时间是不同的，各次猜出谜语时的ERP与刺激呈现的时间间隔差别很大，已不具备潜伏期恒定的叠加条件，故不能以刺激的出现为原点叠加。各次猜出谜语与按键反应的时间间隔尽管有差异，但相对差别明显小于与刺激呈现的时间间隔差异，故可以反应为原点叠加，主要观察其前之ERP。其基线取法：依据基线原理，（1）刺激前的一段时间；（2）反应500ms后的一段时间（NeuroScan无自动取刺激前一段时间的功能）。,.,40,参考文献：,T.W.Picton,S.Bentin,P.Berg,etal.（2000）.Guidelinesforusinghumanevent-relatedpotentialstostudycognition:Recordingstandardsandpublicationcriteria.Psychophysiology,(37),127152.McCarthy,G.,&Wood,C.C.（1985）.Scalpdistributionsofevent-relatedpotentials:Anambiguityassociatedwithanalysisofvariancemodels.ElectroencephalographyandClinicalNeurophysiology,62,203208.JosephDienandAleciaM.Santuzzi.（2005）.ApplicationofrepeatedmeasuresANOVAtohghi-densityERPdataset:areviewandtutorial.InToddC.Handy(Ed.),Event-RelatedPotentials,AmethodHandbook.MITPress,Cambridge.57-82.StevenJLuck.（2005）.AnIntroductiontoTheEvent-RelatedPotentialTechnique.MITPress,Cambridge.225-266.,.,41,七、ERP的优势（一）无创性、时间分辨率高便于与RT配合进行认知过程研究、空间分辨率128导约为3mm，达到了现代水平。是心理学工作者进行认知神经科学研究的最得力的方法。（二）认知可分为认知过程和认知状态，过程指的就是时间过程。（三）设备相对简单，对环境的要求不高。,.,42,Gazzaniga在2000年版“CognitiveNeuroscience”（多作者）关于认知神经科学研究方法的介绍中写道：“StevenHillyarddescribedoneoftheoldesttechniquesforstudyingthebrain,therecordingofelectric(andnowmagnetic)fieldsfromscalp.Thoughnotcapableofproducingthegrippinglydetailedimageofactivitythatothertechniquescanprovide,fieldrecordingarefarbetteratresolvingeventsintime.Shortofsurgicalintervention,theyhavenocompetitorsformonitoringthetimecourseofneuralactivity,andthusremainamainstayof,forexample,neurolinguistics.Hillyardpresentsresultsofinvestigationsinavarietyofareas,foreshadowingmoredetaileddiscussionsinsomeofthefollowingchapters.”强调了ERP与ERF，突出了实时性。,.,43,八、妨碍ERP提高空间分辨率的原因（一）颅骨不匀且有个体差异（二）容积导体效应（三）电场封闭（四）ERP主要来自皮质第3、5层，不全面，不正确,.,44,九、ERP方法与其他脑高级功能成像方法的比较,.,45,人脑在进行认知活动时，其磁场变化是伴随其电场变化同时产生的，从电场变化中检测出的电信号是脑电，从磁场变化中检测出的磁信号是脑磁，记录仪器为脑磁仪（magnetoencephalograph），记录的脑磁信号称为脑磁图（magnetoencephalogram,MEG）。脑磁场是很微弱的，数量级为101000fT（1fT=10-15T，是地球磁场的10-810-9,即1亿10亿分之一，只有用高灵敏度的超导磁强计才能探测到。这项工作，首次由S.J.Williamson等人于1981年完成。l磁场的计量磁通量单位：wb(韦伯)。1fwb=10-15wb。磁场强度单位：T（Tesla，特斯拉）。1T=1wb/m2。G（Gause，高斯）。1G=10-4T。已少用。,（一）脑磁Magnetoencephalography,MEG,.,46,脑磁仪是探测核潜艇技术在认知神经科学上的移植，西方曾控制向中国出口。价格昂贵，亚洲仅我国和日本有此仪器。欧美和日本已在认知神经科学领域广泛应用。,.,47,.,48,1、超导磁强计的构成,超导磁强计由磁通变换器、超导量子干涉器件（SQUID）和电子线路组成。,磁通变换器把探测到的磁通信号，耦合到SQUID上，由SQUID输出电信号，经电子线路放大、显示，从而使磁信号被检测出来。,磁通变换器和电子线路也起到抑制噪音作用。,磁通变换器和SQUID都由超导材料制造。1911年，荷兰物理学家Onnes发现，水银在低于4.2K时，电阻突然变为零，他把这种现象称为超导现象，处于超导现象中的导体(电阻为零)称为超导体。大多数SQUID用纯铌（niobium）制成。放在杜瓦瓶内。杜瓦瓶内装液态氦，挥发降温至近-273C0。,2、高临界温度SQUID杜瓦瓶内液氦较贵。高临界温度材料可减轻降温条件的成本，是当前的发展趋势。,.,49,3、MEG实验图为少导测量与多导测量示意,（1）磁噪声与屏蔽室通常的MEG测量如图所示，由于脑磁场与周围环境存在的磁场相比是极其微弱的，所以排除外部磁场干扰非常重要，显著的磁噪声主要由地磁波动，运动的汽车、电梯、收音机、电视、微波中继站等引起。减少这些磁噪声干扰的最直接有效的方法是使MEG测量在磁屏蔽室内完成。如铁磁质屏蔽。目前采用的动态屏蔽室，包括外来磁信号检测系统和产生与外来磁信号相反磁场的线圈，很贵，约150-250万$。,.,50,（2）多导记录与定位磁场强度不像电场强度那样受颅骨薄厚不均与容积导体的影响。但磁强计相对于头的位置精度影响大脑皮层中源的定位计算。在多通道仪器中，由于各通道相对位置预先确定，这种问题可以在一定程度上得到解决，杜瓦瓶的位置和方向必须根据头上至少三个固定点来确定。用于确定头颅形状一致的固定点主要有两侧耳道、眉心(两眼之间鼻骨的最深点)、枕骨粗隆和前齿。目前已经制造和使用了306导MEG。,.,51,MEG,.,52,4、事件相关脑磁场ERFERF(event-relatedfields)是事件相关脑磁场的英文缩写，检测ERF和检测ERP很相似，将前面讨论的检测MEG的装置，配上刺激装置和计算机，即可将对应于一定刺激事件的头皮上产生的磁场变化检测出来，刺激（事件）重复N次，经N次叠加，信噪比即可提高N倍。ERF也可按刺激感觉通路分为听觉ERF，视觉ERF，体感ERF等。ERF波形的表示，与ERP一样用P表示正波、N表示负波，其随后的数字表示潜伏期，为和ERP区别，在潜伏期后加上m表示磁信号。例如，刺激后100ms处出现的负波表示为N100m；刺激后19ms出现的正波则表示为P19m。,.,53,5、脑磁图的主要优点：（1）与ERP比较：除了ERP的优点无创性、时间分辨率高（其时间分辨率小于1毫秒）外，脑磁场的源定位不受容积导体与颅骨薄厚不匀、个体差异大的制约，空间分辨率小于2毫米，好于ERP，即比脑电的脑内源定位要精确，为复杂心理活动的脑定位提供了更有效的方法。测量线圈不与头皮接触，避免了逐个电极注射导电膏之烦，测试准备时间短。（2）与fMRI比较：不需要专门的操作人员，日常耗费低。6、脑磁图的主要缺点：（1）虽然MEG不受容积导体与颅骨薄厚不匀、个体差异大的制约，空间分辨率高于ERP，但MEG也同ERP一样是通过偶极子解逆问题定位的，不同神经源构成的偶极子可以产生同样的头皮电磁场分布，在这个根本问题制约下，其空间定位也具有一定的不确定性。（2）如前所述，MEG只能检测脑沟神经元的磁场信号，而ERP源于电流，无此局限。（3）价格较贵，现约350400万$。（4）通常不能记录VEOG，所以不能用经典方法排除眨眼伪迹。,.,54,7、脑磁图的应用：（1）认知神经科学。除了ERP的无创性、时间分辨率高（其时间分辨率小于1毫秒）等优点外，脑磁场的源定位不受容积导体与颅骨薄厚不匀、个体差异大的制约，空间分辨率小于0.51毫米，好于ERP，即比脑电场的脑内源定位要精确，是复杂心理活动的脑定位有效的方法，已广泛应用于认知神经科学领域。（2）癫痫、脑肿瘤、脑血管畸形、帕金森氏等病的术前定位。我国癫痫患者约800万。为癫痫定位是脑磁图最成熟的技术。癫痫病人外科手术成功的关键是解决两个问题，一是给癫痫灶精确定位，从而准确切除病灶；二是给病灶周围的重要功能区如感觉、运动、语言、记忆等区精确定位，从而避免和减少这些功能区的组织损伤。MEG是目前能同时解决这两个问题的最精确的方法，定位误差不超过1毫米。它还能将捕获的脑功能信号重合在CT或核磁共振图上，形成清晰直观的定位影像图，分辨出原发病灶和继发病灶，提高了手术治疗的成功率。以前一贯认为，只有药物无法控制的癫痫才考虑手术治疗，而现在则逐渐认为，只要确诊为癫痫且致痫灶定位准确就应尽快手术治疗，以避免药物持久性的不良反应和因癫痫反复发作带来的伤害。MEG还能对脑肿瘤、脑血管畸形、帕金森氏病等进行术前功能区定位，从而最大限度地避免重要组织和功能的损伤，使这些手术变得更加安全。,.,55,7、脑磁图的应用：（3）脑功能损伤的准确评估定位。对脑外伤、脑血管意外造成的脑功能损伤，脑磁图可以进行准确的评估和定位，从而提高视神经、听神经、三叉神经损伤的治疗效果。（4）小儿早期评估。在小儿科，可用于产伤小儿、小儿脑发育不全、小儿脑瘫的评估及其所导致的小儿聋、哑、盲、智力低下、精神障碍程度的早期评估研究。（5）精神病研究。可用于研究精神病的客观检查，分析精神分裂症、抑郁症等的中枢病理改变，为针对性治疗提供依据。（6）其他。在日本等国，脑磁图还被用于针刺麻醉和镇痛机理的研究。,8、我国已购：（ERP256导约35万$）广州广东三九脑科医院，约350万$。2001年1月安装完毕。石家庄省立医院，306导（实102导），约400万$。北京天坛医院，151导，2003-11。南京脑科医院，275导，2006-2。重庆西南医院，151导，2006-4。,.,56,（二）正电子发射断层扫描PositronEmissionTomography,PET,PET的依据是一些放射性同位素标记的分子（如含18F的脱氧葡萄糖FDG）能正常地参加脑细胞的新陈代谢。这些同位素发射正电子，正电子不稳定，易与负电子撞击而湮灭，湮灭所生能量以两束反向-射线方式释放。测量这两束-射线的量，即可知该标记同位素分子的含量，从而作为该部位功能活动是否增强的标记。-射线：氦原子核流（，上标原子量，下标电荷）。-射线：高速运动的电子流。-射线：光子流，波长极短的电磁波，无极性，可分解为正电子和负电子。优点：可观察动态过程缺点：1）需制造放射性同位素的回旋加速器，价格昂贵。2）测量时间长；只是测量N的代谢产物，时间分辨率低。3）注射放射性同位素。,.,57,PET,.,58,（1）结构像（MRI）,强磁场会导致机体组织的原子依磁性而顺序排列。当射频电磁波照射头部时，会激发头组织的原子发射它们自己的射频电磁波，这就是磁共振信号。它可被三维梯度磁场检测出来并发送给计算机，计算机处理并编辑这种信息重建为脑的三维图像。,（三）功能性磁共振FunctionalMagneticResonanceImaging,fMRI,.,59,.,60,.,61,磁场能使处于其中的物质磁化，后者形成附加磁场，对原磁场产生影响。有的物质形成的附加磁场方向与外磁场方向相同，称顺磁质，如脱氧血红蛋白。有的物质形成的附加磁场方向与外磁场方向相反，称抗磁质，如氧合血红蛋白。fMRI的依据是磁共振（MR）信号的血氧水平依赖性（bloodoxygenation-leveldependent,BOLD）。脑活动时代谢旺盛，局部脑血流增加、氧合血红蛋白增加过剩，超过了代谢消耗氧的需要，结果静脉中氧合血红蛋白比例增加，脱氧血红蛋白比例减少。前者具有抗磁性，后者具有顺磁性，其比例变化会改变MR信号。fMRI测量的主要就是静脉中二者比例变化产生的MR信号变化。,（2）功能像（fMRI）,.,62,fMRI,.,63,上图：右手指运动。下图：棋盘格闪烁视觉刺激。,.,64,fMRI的优点：1)不需要注射同位素（比PET）；2)检测时间短（比PET）；3)分辨率高：数量级1.5x1.5mm，高于ERP、MEG、CT。fMRI的缺点：1)时间分辨率低：每张功能图像约需11张原始扫描图叠加才能看清，每2张同一部位的原始扫描图的扫描间隔（T2时间）一般为2秒，所以fMRI的时间精度是22秒之低。再者，从刺激开始到显示出（测量到）激活约延迟3-6秒，约6-12秒结束，时间也是不准确的。2)比较贵。,.,65