介紹EEG放大器的主要參數(shù)

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在最近一段時(shí)間，我沒有更新我的寫作文章，不論是更新如何東西，難能可能的東西是堅(jiān)持的創(chuàng)作。對(duì)于我個(gè)人而言，接觸的知識(shí)少了也就創(chuàng)造的動(dòng)力也就少了，但我也在不斷的夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，我有著很多年的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，尤其是在EEG、fNIRS以及EyeTracking技術(shù)領(lǐng)域，因此在創(chuàng)作過程中更多的是涉及這些方面的知識(shí)，當(dāng)然我也對(duì)很多知識(shí)領(lǐng)域感興趣，歡迎添加文章底部的公眾號(hào)小助手與我交流，但請(qǐng)千萬不要把他當(dāng)成是提問的地方，有的是交流和學(xué)習(xí)，才能創(chuàng)作出新的知識(shí)。

回到本文的主題來，本文主要是對(duì)我很早發(fā)布的一篇文章的延伸，傳送門《腦電設(shè)備的一些參數(shù)》這篇文章我更新于2018年，可想而知，公眾號(hào)已經(jīng)有3歲多了，更新創(chuàng)作的文章我也不知道有多少，因?yàn)闆]數(shù)過hhh。

對(duì)于今天要談到的設(shè)備參數(shù)，其實(shí)在很多設(shè)備上都會(huì)有涉及，不論是眼動(dòng)、腦電以及近紅外設(shè)備，都會(huì)有相關(guān)的參數(shù)，今天主要針對(duì)的是EEG設(shè)備的部分。

介紹到EEG的部分，我想有很多文章是值得參考的，根據(jù)我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，我會(huì)將EEG的設(shè)備，分為三個(gè)主要的部分：

1、電極傳感層，俗稱，電極帽

對(duì)于電極帽的詳細(xì)知識(shí)，可以參考文章：《腦電電極帽》

2、放大器部分，信號(hào)的模擬和數(shù)字信號(hào)

這是關(guān)鍵的部分，也是評(píng)價(jià)EEG設(shè)備的好壞的主要組成部分

3、采集端，顯示數(shù)字信號(hào)的軟件部分

這一部分對(duì)于每個(gè)設(shè)備來說，基本上是大同小異的，主要包括阻抗檢測顯示。workspace的參數(shù)設(shè)置，原理一樣，可能軟件操作不同?？梢詤⒖疾煌O(shè)備的指導(dǎo)手冊(cè)

放大器部分

腦電放大器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部分，負(fù)責(zé)對(duì)來自電極帽傳感器的模擬電信號(hào)進(jìn)行采集、放大和轉(zhuǎn)換為可由采集端計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。

在我的個(gè)人工作中，我會(huì)經(jīng)常性的對(duì)比這些設(shè)備的各種參數(shù)，如采樣率、帶寬、噪聲水平、共模抑制比等等。

今天就給大家介紹一下這些參數(shù)的定義，希望能帶來不一樣的認(rèn)識(shí)EEG設(shè)備。

采樣率：

采樣率是指每單位時(shí)間測量信號(hào)的次數(shù)，通常以赫茲 (Hz) = 1/秒表示（下圖）。我們通常采集的EEG信號(hào)是模擬信號(hào)，在時(shí)間上是連續(xù)的信號(hào)，但是在被采集端處理的時(shí)候，是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)被儲(chǔ)存下來的，數(shù)字信號(hào)是離散的信號(hào)。

從上圖可以看出，設(shè)備的采樣點(diǎn)越多，那么所模擬的信號(hào)就會(huì)越好。

在EEG信號(hào)中，我們通常會(huì)將由大腦產(chǎn)生的信號(hào)，分為以下幾個(gè)節(jié)律頻段：delta (0.5 – 4 Hz)、theta (4 – 8 Hz)、alpha (8 – 12 Hz)、beta (16 – 24 Hz) 和 gamma（最高 80 Hz），每個(gè)頻段針對(duì)不同的領(lǐng)域都有不同的意義。特別是像alpha頻段，當(dāng)我們閉上眼睛放松的時(shí)候，就會(huì)是滿屏的alpha波。當(dāng)然除此之外，也有很多科研學(xué)者研究低頻信號(hào)的振蕩（DC-0.5Hz），這種慢皮層電位在某些方面也能反映大腦加工的機(jī)制。

根據(jù)采樣率必須至少是被測信號(hào)最大頻率的倍，這是奈奎斯特采樣定理來闡述的，可以參考知乎問答中對(duì)奈奎斯特采樣定理的解答。因此，在我們所要記錄下來信號(hào)中，所滿足的最小采樣率必須是160Hz以上（80Hz的兩倍），這個(gè)參數(shù)基本上市面上的放大器基本都滿足的，有的甚至說是有上萬的采樣率，我也從未使用過hhh。

帶寬：

帶寬是腦電圖系統(tǒng)根據(jù)采樣率和放大器內(nèi)部濾波器進(jìn)行測量的有效頻帶。通常情況下，放大器都有硬件的內(nèi)部了濾波器：1）符合奈奎斯特定理的低通濾波器；2) 高通濾波器，用于消除 EEG 偏移和直流分量，以避免內(nèi)部電子設(shè)備飽和（沒有高通濾波器的放大器稱為直流耦合，DC信號(hào)）。濾波器的設(shè)計(jì)會(huì)衰減低頻和高頻。帶寬是信號(hào)幅度衰減小于3dB的頻帶。3dB的頻帶是指是比峰值功率小3dB（就是峰值的50％）的頻譜范圍的帶寬。

帶寬的設(shè)計(jì)一般取決于自己所想要采集的信號(hào)范圍，對(duì)于EEG的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)而言，通常需要覆蓋80Hz左右的所有頻率范圍，當(dāng)然所取決的范圍越大，則所采集的范圍信號(hào)越多，但是所產(chǎn)生的噪音信號(hào)就越多。對(duì)于一些研究緩慢的皮層電位信號(hào)的人來說，所選擇的放大器應(yīng)需要包含直流耦合的功能，即放大器應(yīng)該是直流耦合的或具有接近 0Hz 的高通截止頻率，這樣才能記錄下直流DC的信號(hào)。

A/D轉(zhuǎn)換：

它其實(shí)就是模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器）。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。該過程是A/D轉(zhuǎn)換器使用特定數(shù)量的bit對(duì)每個(gè)電壓值進(jìn)行編碼。這個(gè)bit就是放大器的分辨率/解析度，有時(shí)候也叫采樣精度。

選擇 EEG 系統(tǒng)時(shí)：臨床或高質(zhì)量研究 EEG 放大器的標(biāo)準(zhǔn)分辨率至少為 24 bit。

輸入噪聲：

輸入相關(guān)噪聲是放大器內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲電壓或電流，即使輸入端沒有信號(hào)。由于 EEG 信號(hào)的幅度低至幾微伏，在大多數(shù)情況下，輸入噪聲越小越好，在有些情況下，輸入噪聲實(shí)際上對(duì)提高分辨率是有幫助的。因此該噪聲小于 1μVrms 非常重要。對(duì)于輸入噪聲也是評(píng)價(jià)一個(gè)設(shè)備的好壞的條件之一。

對(duì)于輸入噪聲詳細(xì)的介紹，可以參考網(wǎng)絡(luò)上的這篇文章 《好噪聲還是壞噪聲》

輸入范圍：

放大器的輸入范圍是飽和前可記錄的最大幅度信號(hào)。通常情況下，放大器的輸出范圍是有限固定的，并和電源輸入油管。輸入范圍由輸出范圍和放大器的內(nèi)部增益（即輸入信號(hào)被放大的次數(shù)）決定：Vout = G x Vin?？蓞⒖嘉恼?/span>《運(yùn)算放大器輸入與輸出電壓范圍》

EEG 放大器的輸入范圍需要包括 EEG 信號(hào)的最小值和最大值以及來自干擾 EEG 的其它生理或移動(dòng)過程的那些干擾值，包括 EOG、EMG和偏移電壓等。如果物理信號(hào)超出輸入范圍，則超出的部分將顯示為平波也即不再進(jìn)行測量，常見于直流耦合的放大器中。

共模抑制比（CMRR）：

CMRR 是差分放大器中衰減共模電壓（即放大器的正負(fù)輸入端均保持恒定的電壓）同時(shí)放大差模電壓VDM（即，正負(fù)輸入之間的電壓差）（圖 5）。例如，對(duì)于 EEG 放大器，CMRR 是指放大腦電圖信號(hào)的能力（測量為電極“n”和參考電極之間的電壓差），同時(shí)衰減 50/60Hz 干擾信號(hào)。

可以參考內(nèi)容《共模抑制比CMRR是什么？CMRR的技術(shù)及計(jì)算公式詳細(xì)說明》

CMRR 越高，放大器性能越好，因?yàn)樗軌蛞愿叩南禂?shù)衰減共模信號(hào)（不需要的信號(hào)）。對(duì)于腦電放大器的選擇，共模抑制比在 50/60Hz 時(shí)必須至少為 80dB。

輸入阻抗：

輸入阻抗（input impedance)是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗?？梢詤⒖嘉恼?/span>《輸入阻抗真的越大越好嗎？》

EEG 放大器接收來自高阻抗電極的信號(hào)，重要的是盡量減少已經(jīng)非常微弱的信號(hào)幅度（微伏）的任何衰減，以避免失去分辨率。在不降低電極阻抗的情況下保持信號(hào)幅度的唯一方法是使用具有高輸入阻抗的放大器。放大器的輸入阻抗越高，它對(duì)高電極阻抗的響應(yīng)越好。EEG 記錄的電極阻抗范圍從 1k 到 1M 。因此，放大器的公共輸入阻抗應(yīng)至少為 100M（即電極阻抗的 100 倍），以便將信號(hào)衰減限制到最小。

電極阻抗：

它不同于輸入阻抗，輸入阻抗是放大器必備的電路輸入端元件，但是電極阻抗是評(píng)價(jià)電極與頭皮之間接觸的好壞。在 EEG 采集過程中，我們必須監(jiān)控每個(gè)通道的信號(hào)質(zhì)量，影響這種質(zhì)量的最重要參數(shù)之一是電極傳感器的阻抗。

這是放大器的不同參數(shù)，在選擇放大器時(shí)，建議可以參考的一些參數(shù)。

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