生物医学测量与仪器 第三章-生物电势的测量2

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1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2017生命科学与技术学院生命科学与技术学院Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University3.2 EEG（脑电图）3.2.1 脑电图的生物学基础3.2.2 脑电图的测量设置3.2.3 脑电放大器3.2.4 脑电图-事件相关电位Xian Jiaotong Univ

2、ersityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universitynscalp 头皮ncerebral cortex大脑皮层；ncerebrum 大脑 ncerebellum 小脑；nbrain stem 脑干；nspinal cord 脊髓nneuron 神经元nsynapse 突触naxon 轴突npostsynaptic potential 突触后电位Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXia

3、n Jiaotong University(1) 脑的解剖和功能3.2.1 脑电图的生物基础Frontal lobe 额叶； central sulcus 中央沟；parietal lobe 顶叶； occipital lobe 枕叶；sylvian fissure 外侧裂；temporal lobe颞叶 Cerebral cortex大脑皮层；cerebellum 小脑；brain stem 脑干；spinal cord 脊髓Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaoton

4、g UniversityBroca区边缘相关区Wernicke区计划复杂的运动和阐述想法躯体运动躯体感觉语言信息语言理解视觉语言的视觉处理躯体和环境的空间坐标命名对象行为,情感,动机听觉Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University神经元是通过电和化学信号，处理和传输信息的电可兴奋细胞。其中化学信号通过突触与其他细胞建立连接。 (2) 神经元的电势场Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXia

5、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong University在神经系统中, 突触是神经元将电或化学信号传递到另一个细胞的结构。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University兴奋性突触后电位 改变膜的选择透过性，正离子的内流导致细胞去极化。 抑制性突触后电位 选择性激活Cl-或K +通道，离子的外流导致细胞超极化。EPSP（Excitatory PostSynaptic Potential）IPSP （Inhibitory

6、 PostSynaptic Potential） （兴奋性/抑制突触后电位）Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityEPSP 兴奋性突触后电位突触前动作电位兴奋性突触后电位动作电位作用神经末梢打开钙离子通道钙离子进入促使囊泡融合和释放递质受体通道打开，钠离子进入突触后细胞，囊泡循环突触前神经末梢Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian

7、 Jiaotong University 突触电位: 脑电活动的基础。 突触电位电压远低于动作电位，但产生的电流具有较大的扩布范围。突触后电位持续时间更长，并且与动作电位相比，突触电位影响的膜表面积更大。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University(左图) 皮质锥体神经元在树突处的突触被激活，细胞内电流沿树突流向胞体。这些电流由细胞外介质中的电流补偿，导致细胞外拉电流和灌电流的形成。 (右图) 电流偶极子形成了脑电信号和相应的磁场，并且磁场垂直于

8、电场。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电是对一群神经元活动的描述。硬脑膜蛛网膜蛛网膜下空间软脑膜Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University整合多个神经元的活动，以便EEG电极检测。 神经元的活动时间是至关重要的。 神经元同步活动会产生更大的信号。 Xian Jiaotong Univer

9、sityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University EEG = 描述脑电活动 电源在大脑皮层中。 脑电是由兴奋性和抑制突触后电位总和引起的胞外电流所产生。 单个动作电位与脑电活动无关Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University为什么用 EEG / MEG?Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universit

10、yXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University3.2.2 脑电图的测量设置n国际10-20 系统在临床上被广泛接受n某些生理特征被用作参考点n允许在电极附近的诊断特征的定位n通常使用现成的线或橡胶网n脑研究通常使用256或512通道的脑电图测量帽Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University国际 10/20 系统Nasion(鼻根鼻根): 额骨和两个鼻骨的交叉点Inion(枕骨隆突枕骨隆突):头骨的

11、后部的隆起部位Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University10/20 System字母字母: F（额叶）, T（颞叶）, P（顶叶）, O（枕叶）, C（中央沟），z （中轴）编号编号: 偶数在右半球，奇数在左半球Frontal lobe 额叶； central sulcus 中央沟；parietal lobe 顶叶； occipital lobe 枕叶；sylvian fissure 外侧裂；temporal lobe颞叶 Xian Jiaoto

12、ng UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University佩戴电极帽的使用者脑电在临床诊断中应用脑电在科学研究中应用Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Univ

13、ersity脑电节律脑电频率与不同行为模式有关 (注意力水平, 睡眠, 行走, 癫痫发作, 昏迷).在不同的频率范围内的脑电类型: : 30-60 Hz (认知频带) : 14-30 Hz (活化的皮层) : 8-13 Hz (清醒状态) : 4-7 Hz (睡眠状态): 小于 4 Hz (睡眠状态尤其是深度睡眠)较高频率下：自主活动，非同步活动（惊醒，做梦）.较低频率：强同步活动（深度睡眠，昏迷）。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University正常

14、状态下不同类型的脑电波。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University患者睁开眼睛时，通过异步放电来替换节律不同类型的癫痫中代表性的异常脑电波形轻度发作轻度发作重度发作重度发作痉挛痉挛Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电电位是判断大脑总体状态的指标，通常以特征频率的方式体现其节律。人类受试者睡

15、眠时的脑电变化Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityCz点上的脑电波形n脑电图是不同频率和幅度的波的混合。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电的脑电的频谱频谱n规律 空闲节律n不规律 工作活动n阅读和数学计算会产生频率和位置不同的节律。Xian Jiaotong UniversityX

16、ian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电脑电的微态序列的微态序列n脑电由一系列持续时间短、近稳态的片段组成，对应于Lehmann et al （1987）所称的脑功能微态。n脑电反映了神经元网络状态的变化，而不是具体的信息处理过程。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电放大器的简化框图 3.2.3 脑电的设计Xian Jiaotong

17、 UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University 放大器 更高的增益 (1000) 更高的输入阻抗 (100 M) 更高的共模抑制比 ( 100 dB) 低噪声 ( 3V) 频率带宽 0.1-100 HzXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University双极双极vs. 单极记录单极记录n单极记录用于研究，能够定位研究人员感兴趣的事件。n在

18、生物反馈（BF）中使用双极记录，因为它能减少伪迹。电极应放置在训练状态下电位梯度最强的位置。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University肌电图伪迹n肌电伪迹频率最低至12 Hz，最高到300 Hz。 大多数谱频率在30-150Hz之间。 nF3，F4，T3，T4，P3，P4点可能拾取咬肌和颞肌的肌电。 n后电极可能拾取来自枕肌、斜方肌和棘上肌的肌电。 n可以适当地放松或在头部正确定位或轻微改变电极的位置来避免伪迹。 nFz，Cz，Pz可以给出相对干

19、净的脑电信号。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University脑电中的肌电和眨眼伪迹n这些类型的伪迹可以通过视觉检查来检测。n眨眼伪迹可以从数据分析中排除。n在谱分析时应考虑肌电的影响。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University标准交流标准交流电电线电流的噪声线电流的噪声 n这种噪声可以通过设备接地（计算

20、机和放大器）来减少。n这种噪声可以通过陷波滤波器来消除，陷波滤波器从信号中选择性地去除50（对于US为60）Hz成分。n这种噪声可以通过电极与头皮的良好接触而削弱，其电极阻抗应小于10 k。 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University相关研究相关研究n创建脑机接口（BCI）成为自计算机诞生后研究人员所追求的目标nBCI可以帮助运动残疾患者使用计算机或移动平台n需要的部分:q放大q滤波q分类q控制34Xian Jiaotong University

21、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University相关研究相关研究n程序面临的问题:q数据传输速率q效率q测试对象之间的差异q新用户的学习曲线35Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University36设计框图设计框图Adrian Smith, Daniel Shinn,Ken Grove,Project ECE 4006 - Group N1脑电电极脑电信号放大

22、/过滤模数转换软件/硬件触发器指令界面输出翻译机械设备Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University例题： 一名临床医护人员用脑电设备去监测病人睡眠时的脑电波，电脑屏幕上不断显示病人的脑电波并储存。而这名医护人员在脑电引线处意外s使用了两种不同类型的电极，且每种电极有不同的阻抗。一个是和脑电频率相关的1500低电阻，另一个为4700的高电阻。接地电极为2500的阻抗。脑电仪器的所有输入的输入阻抗接地为10M，且共模抑制比为80dB。电源线到病人的偏移

23、电流为400nA，而病人脑电的最大值为12 v。a.这位病人可被观察到多大的共模电压值，会显著干扰脑电信号吗？b.病人的脑电信号中能看到多少电源线的干扰？Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University例题：一个小乡村医院想要购进脑电设备却无力负担建设信号屏蔽间。

24、一名临床工程师确定将会对病人检测有100mv的共模噪声。要使25 v的脑电信号中有不超过1的共模噪声，最小的共模抑制比应为多少？Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University4.2.4 EEG-ERP 事件事件相关电位相关电位事件相关电位（ERP）：是任何可以测

25、量的大脑对一个想法或感知的直接反应，是对内部或外部刺激固定的电生理响应。ERP是对多个试验做平均所得到的EEG信号（试验由刺激开始时间来校准）。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityEEG - ERPXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University诱发电位和平均信号Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversitySummary3.2.1 1. 脑的解剖结构和功能 2. 神经元的电势场 (突触电位; 脑电图) ; 3.2.2 脑电的测量设置 国际10/20 系统 脑电节律3.2.3 脑电的放大器 (3 高 1 低)3.2.4 EEG-ERP 诱发电位和平均信号