EEG信號基礎

1.1 EEG信號記錄技術

腦電信號(EEG)是腦神經細胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映 ，腦電信號中包含了大量的生理與疾病資訊 ,在臨床醫學方面 ,腦電信號處理不僅可為某些腦疾病提供診斷依據, 而且還為某些腦疾病提供了有效的治療手段，在工程應用方面 , 人們也嘗試利用腦電信號實作腦-計算機介面(Brain to Computer Interface，BCI),利用人對不同的感覺、運動或認知活動的腦電的不同, 通過對腦電信號的有效的提取和分類達到某種控制目的，因此對腦電信號進行收集和相關的分析具有很大的研究意義，目前主流的關于EEG信號的收集主要可分為侵入式(Invasive)、半侵入式(Semi-invasive)和非侵入式(Non-invasive)，三大類，下面將分別介紹關于這三種收集方式，

a.侵入式(Invasive)

在神經外科手術中，將侵入式(有創)型別的BCI直接植入大腦獲得腦電信號，獲得方式也有兩種，一種是單個單元 BCI，它能檢測來自單個區域腦細胞的信號；另一種是多單元 BCI，它能檢測來自多個區域的信號，電極具有不同的長度，例如，在MEA（multi-electrode arrays）中的最大長度為1.5mm(Utah, Blackrock Microsystems)或10mm (Micro Probes,FMA)，信號的質量是最高的，但是該程序存在一些問題，例如存在形成疤痕組織的風險，身體對異物起反應，并在電極周圍形成疤痕，這會導致信號變差，因為神經外科手術可能是一個危險且昂貴的程序，所以侵入性BCI的目標人群主要是盲人和癱瘓患者，

b.半侵入式(Semi-invasive)

半侵入式雖然相比侵入式有一定的可操作性，但是其仍然需要進行開顱植入電極，其主要使用放置在大腦裸露表面上的電極來測量大腦皮質層的活動，電極主要置于硬腦膜外或者硬腦膜下，使用條狀或者網狀的電極覆寫了皮質的大面積區域（4-256個電極），從而可以準確的收集腦電信號進行各種各樣的認知研究，由于該方式仍然需要進行開顱，所以僅僅在出于醫學原因（例如：癲癇病）需要進行手術時才使用，
半侵入的主要優點是具有高空間解析度和信號保真度、抗噪音、長期記錄中具有較低的臨床風險和健壯性、高振幅，

c.非侵入式（Non-invasive）

非侵入式是目前最流行和常用的收集EEG信號的方式，主要的非侵入式技術有MEG腦磁圖、PET正電子發射斷層掃描、功能磁共振成像功能磁共振成像、fNIRS近紅外光譜、腦電圖，由于成本和硬體的便攜性，腦電圖是最常用的技術，
腦電圖收集信號時電極被放置在頭皮上以獲取大腦產生的電流，當神經元放電時，會形成偶極子，在突觸處有較低的電壓，在軸突處有較高的電壓，如果是抑制性神經元，偶極子就會翻轉，軸突的電壓較低，突觸的電壓較高，是什么導致神經元內部發生這種電壓偏移？鈉離子(Na+)通道沿樹突打開，產生大量正電子，此正電荷沿著軸突移動，打開更多的鈉離子(Na+)通道，并導致電荷沿著軸突移動，在突觸處放電，并釋放神經遞質，當成組的神經元一起放電時，它們為我們提供了足以從頭皮進行測量的信號，我們只能使用腦電圖(大約直徑的四分之一大小)來測量神經元簇，
優點：它是便攜式的，可以放入一個小手提箱中，實驗室級EEG系統可能很昂貴，但比其他BCI方法便宜，近年來，已經發布了越來越多的商業EEG系統，
腦電圖資料包含有節律的活動，反映了神經振蕩，振蕩由頻率，功率和相位來描述，振蕩發生在特定的頻率上(即以一定的速率)，研究發現，這些節律與不同的大腦狀態之間存在關聯，

a.空間解析度

腦電圖的空間解析度取決于所用電極的數量，在研究中，當需要更高的空間解析度時，通常至少使用32個電極，最多為256個，通常，腦電圖的空間解析度較低，因為信號需要向上穿過不同的層到頭骨，但是，可以使用某些型別的過濾器或通過將腦電圖與其他工具組合來提高解析度，

b.時間解析度

腦電圖的優點是它具有良好的時間解析度，在一秒鐘內，可以在不同傳感器上拍攝上千張電子活動的快照，根據實驗顯示，在腦電圖中可以使用多達500個的多個電極，

1.2 運動想象EEG信號相關的生理活動

一個人想象某一種行為,而這一種行為沒有發生時,大腦會產生一種執行該類行為的腦電信號,這就是我們所說的運動想象腦電信號，在運動想象腦電信號產生程序中，腦內相關的神經元會進行一定的細胞間通信，同時也會產生相關的生理活動，下文將著重介紹有關這方面的內容，
研究表明，人腦內大約有1011個神經元細胞，簡稱神經元，其結構如圖1.2.1所示，神經元主要有兩個部分組成：細胞體以及突起，而突起包括軸突與樹突兩類，其中軸突是一根很長的纖維，它由髓磷脂鞘包裹，以便電信號的高速傳輸，軸突末端將與其他神經元的樹突連接，它的作用是將電信號傳入到其他神經元細胞的樹突中從而達到神經元間的通信，相反，樹突較軸突來說，長度普遍較短，主要的作用即是將其他神經元延伸過來的軸突與自身連接起來，完成該神經元信號的輸入功能，值得一提的是，樹突與軸突都只能單向傳遞，信號經由樹突接收后，將單向送達至細胞體處理，然后再經過軸突單向傳達到其他神經元上，細胞體是接收、處理傳入信號的結構，它將一個或多個樹突傳入來的信號進行整合，然后以類似于沖激（Spiking）回應的電信號輸出到軸突，再通過軸突將信號傳輸給其他神經元，這些神經元連接在一起，組成結構復雜、節點眾多的神經網路結構，

神經元細胞經典結構

上文說到神經元的數量眾多而且結構復雜，所以單個神經元并不足以引起大腦皮層的電位變化，我們所檢測到的電位變化是大量神經元在興奮或者抑制時形成強大的電場所帶來的結果，因而我們所采集到的腦電信號是各種不同頻率、幅值和相位的信號的混疊，按照產生機制，通常被分為誘發電位和自發電位兩類，

1.2.1 誘發電位

誘發性腦電實是在收到外部刺激下引起的電位變化，研究的比較多的有視覺誘發電位（Visual-evoked Potential,VEP）和事件相關電位（Event-related Potential,ERP），VEP根據外部刺激的頻率，又分為瞬態誘發電位（Transient Visual Evoked Potential,TVEP）和穩態視覺誘發電位（Steady State Visual Evoked Potential,SSVEP），

1.2.2 自發電位

自發電位是自然狀態下受試者自我調節產生的，包含自主控制皮層慢電位（Slow Cortical Potential,SCP）、事件相關同步（Event-related synchronization,ERS）和事件相關去同步（Event-related desynchronization,ERD），其中SCP是一種可以反映大腦興奮狀態的信號，但是由于電位變化緩慢，資訊傳輸速率低，研究熱度有所減弱，ERS現象是指大腦處于放松狀態下，alpha波和beta波的幅值會有明顯的增加；ERD則是指大腦處于激活狀態時，alpha波和beta波的幅值會有明顯的減少，
誘發腦電不容易手主觀因素影響，具有較穩定的特征，識別率因此也比較高，而自發性腦電由主觀控制，更符合自然狀態，但是也正因為其主管意識比較強，通常受試者需要經過長期訓練才能靈活掌握，
按照頻譜差異，腦電信號常常被分為delta波、theta波、alpha波、beta波和gamma波，他們的頻率、幅值和出現的區域都各不相同，如表1.2.1所示，delta波與睡眠質量有關，清醒時并不發生，當人感覺到疲勞或者進入慢波睡眠狀態時較為明顯；theta波在成年人身上并且與情緒相關；alpha波在人清醒且閉眼狀態下可以檢測到，睜眼則消失；beta波在精神緊張時發生，并且于大腦兩側對稱分布，常與事件相關；gamma波屬于腦電信號中的高頻成分，與學習等高級資訊處理的活動相關，
與運動想象任務有關的主要是alpha波段和beta波段，確切來說，是alpha波中斷的mu波和出現在中央溝附近的beta波，mu波雖然頻率和alpha有所重疊，但他與睜眼或者閉眼無關，而與人的肢體運動相關，因此，在基于運動想象的腦電信號研究中，通常只關注mu波和在中央溝附近的beta波，

表1.2.1 腦電信號波段分類