脑电设备硬件终极指南

大家好，我是陈锐。今天分享内容仅供参考学习。

当我们计划进行脑电图技术进行实验项目时，要考虑的关键方面之一是硬件，其次则是软件。在选择最适合我们项目要求的EEG系统时，通常会考虑技术规格和参数的要求。在这篇文章中，我将帮助您了解脑电图 (EEG) 系统的主要功能。

在本BrainTechnology公众号上已经有大量的关于EEG的相关参考资料，相信您可以通过搜索关键字“EEG”即可获取相关文章

脑电图硬件概述

EEG 硬件设备通常由以下三个部分组成：

1) EEG 传感器层—EEG电极帽；

2）脑电放大器；

3)其它功能，如连接、数据流或电源线。

EEG电极帽传感器层

电极帽的考虑其实是很重要的，需要考虑诸如电极数量以及它们是否具有固定或可互换位置的可拆卸电极、电极与皮肤接触的类型（即干、半干与导电膏电极）以及电极屏蔽等方面。

1.脑电电极数量

EEG 电极的数量将决定我们可以从大脑中测量到的信息量。大多数脑电图中的电极数量在 8 到 256 个之间。这些数字指的是“记录”电极，通常也需要添加一个参考电极（用于从“记录”中减去共模噪声的电极）和一个接地电极。

2.脑电电极的放置

EEG 电极的位置通常情况下遵循国际10-20系统（视频版），它是根据头皮位置标记位置。有些设备的 EEG 电极是可以进行位置的更改（如：biosemi等）。具有固定位置的系统不允许将电极从一个位置移动到另一个位置，而具有可互换电极的系统可以配置为适应不同的实验设置。具有可互换电极的系统是研究的首选，其中具有高密度和灵活的头部电极覆盖范围非常重要。

3.脑电电极接触

关于电极与皮肤的接触，我们可以分为两大类：

1.干脑电图电极不需要使用任何电解物质，直接与头皮接触。

2.湿 EEG 电极需要使用电解物质来提高接触阻抗。不同类型的湿电极可以与解凝胶、盐溶液一起使用。

作为一般规则，具有较高接触阻抗的电极（例如，干电极）需要具有更高技术规格的放大器来实现类似的信号质量，但允许更好的可用性和更容易的设置。

4.脑电屏蔽（有源与无源）

电极和电缆屏蔽功能可以减少伪影和噪声，从而提高信号质量。电极可以是有源的，即具有连接到电极传感器的嵌入式预放大层的电极，也可以是无源的（氯化银电极）。有源电极可减少运动伪影，但如果未经过完美校准，可能会导致比无源电极更常见的噪声。在信号从电极传输到放大器期间，电缆屏蔽可最大限度地减少外部噪声的影响（工频干扰）。鉴于脑电图活动的幅度较小，在使用无源电极时，建议使用适当的电缆屏蔽，以实现高质量的记录。

电极帽的种类可参考之前 分享的文章《脑电电极帽》

脑电放大器

EEG放大器是数据采集系统的一部分，负责将脑电电极捕获的模拟电信号接收、放大和转换成计算机可以处理的数字信号。以下参数是值得考虑的：

1.脑电采样率

采样率指每单位时间测量信号的采集次数，通常以赫兹 (Hz) 为单位。

根据奈奎斯特定理，我们能知道在 80 Hz 下测量活动的最小采样率为 160 Hz。像 256 Hz 这样的常见采样率值（通常离线降采样）允许在带宽内实现全光谱分辨率。更高的采样率将在该频率范围内提供更高的分辨率，但对于大多数大脑过程没有额外的信息。

2. 分辨率

放大器的分辨率是用于将模拟 EEG 信号电压值编码为离散数字的位数。此过程由称为模数转换器 (ADC) 的组件执行。我们用来编码这些值的bit越多，记录的数字信号的分辨率就越高。

3.输入范围

输入范围，它对应于饱和前可以记录的最大幅度。EEG 放大器需要一个输入范围，其中包括 EEG 信号的最小值和最大值（数十微伏），以及来自其它生理/机械过程的值，这些值会干扰 EEG 偏移电压，其范围可能在数百个数量级毫伏（EMG，EOG等）。

鉴于 EEG 信号在几微伏范围内，测量中的一个关键方面是放大器如何最大限度地减少电路电噪声的影响。

输入参考噪声是放大器电路，即使在没有输入信号的情况下也产生的噪声，应尽可能低以避免干扰信号。

共模抑制比 (CMRR)是放大器消除其输入共模电压的能力。该值越高，放大器性能越好。

最后，影响信号质量的最后一个因素是电极与皮肤之间的阻抗接触。该阻抗越高，产生的噪声就越多。为了解决这个问题，一个重要的参数是放大器的输入阻抗，它应该尽可能高以避免衰减信号幅度并降低CMRR。

在每个设备中通常都会有阻抗检查和监测（电极皮肤阻抗）功能，它将允许将阻抗保持在一定限度以下。通常盐溶液在半小时后应再次检查，凝胶导电膏在1小时后再次检查。

具体的一些参数可参考文章：《介绍EEG放大器的主要参数》

其它功能：连接、数据流、电源

其它几个重要的配件也能决定最后获得的 EEG 结果。

1.电源

通常情况下系统电源可以是电缆供电或电池供电。将 EEG 放大器直接连接到电源线可允许无限的记录持续时间，但它限制了移动性。由电池供电的脑电图设备可以自由移动。电池连接到设备系统可以通过两种方式完成，内部集成电池可优化设备的尺寸和重量，但在需要充电时会阻碍其使用；以及可更换充电电池，允许更多采集的灵活性，但以更大的尺寸为代价。

2. 连接性

放大器与计算机之间的连接可以通过有线（USB或网线） 或无线通信（WiFi或蓝牙）来完成。有线通信通常通过 USB/网线完成，虽然有线传输保证了其稳定性和高性能传输，但电线有时会使设置复杂化并限制其移动性。无线通信通过蓝牙/WiFi完成，其可移动性使其方便携带和移动，但代价是通信的稳定性略低，尤其是在电磁空间干扰的情况下，其传输可能会造成干扰。在这种情况下，重新连接协议和数据备份，无论是内部存储还是可移动存储，对于避免数据丢失都特别有用。

3. 其它

EEG 放大器通常具有辅助输入和输出，这对于许多实验来说可能是必需的。模拟输入用于记录额外的电 ExG 信号（例如，EMG、ECG、EOG）或其它生理传感器（例如，呼吸、皮肤电反应），以及其它测量光学或听觉信息的传感器（例如，光电二极管、麦克风）。数字输入/输出端口可用于将放大器与其它外部设备同步，如刺激系统、响应按钮盒、脚踏板、机器人等。

最后，应该考虑EEG 数据文件的输出格式。生成的文件可以遵循专有或标准化格式，以促进将这些数据集集成到通用软件分析工具中（如EEGLAB、MNE等）。

脑电数据分析常用软件汇总：脑电数据分析软件网址

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本文作者：陈锐

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