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1、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：1947 Dawson 首次报道用照相叠加技术记录人体EP。1951 Dawson 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、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 10 5。（2）含Head Box 150倍。（3）VEOG与HEOG应减小。（4）分贝与放大倍数的关系：1dB=20 log A，log A=dB/20 例如，A=10000，则可表示为80dB。120dB，则 log A=120/20=6，A=106。（5）易
3、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，Common model rejection ratio,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=120 dB。（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
4、。,(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。,时间常数对波形的影响,若TC=10，则 F L=1/2TC=1/62.8=0.0159 Hz若TC=1，则 F L=1/2TC=1/6.28=0.159 Hz若F L=0.01 Hz，则 TC=1/2F L=1/0.0628=15.9若F L=0.05 Hz，则 TC=1/2F L=1
5、/0.314=3.18若F L=0.1 Hz，则 TC=1/2F L=1/0.628=1.59ERP晚成分一般应取 F L=0.01 Hz，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(digital filter)。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Analog to digital converter 采样分辨率12 bit（位）,输入电压范围=5V.超过者视为5V而失真.12b
6、it 意味着212=4096,可将输入电压10伏分为4095个等级,每个等级 10V4095=2.442 mV.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14 bit，每个等级10V16383=0.61 mV.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
7、辨率0.61mV40000=0.0153V.,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20V，基线200 V，共220V，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20V放
8、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12bit A/D转换卡分为4095个等级，则每个等级=655204095=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EOG rejection。采用新的PCA、ICA方法进行EOG reje
9、ction，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
10、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
11、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
12、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，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。此时仍可用两乳突/耳垂连线作参考记录。,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。,a,（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。,
