数据采集系统

第二节　数据采集系统

脑电图机是用来观察脑内神经细胞产生的电活动的仪器，它是由独立工作的通道组成的，每一个通道包括电极、导线、放大和调理装置、记录装置等。脑电图就是由这些电极同时放在头皮表面上记录到的。脑电图是两个电极间的自发性脑生物电活动电位差随时间的变化而连续变化的曲线的记录。不同的导联组合，特别是参考电极的位置或其构成方式的改变，对脑电图的特征有着决定性的影响，如果忽视了这一影响因素，将会造成脑电图诊断的失误。不同导联组合的脑电图分布各有其特征及优缺点。

一、采集系统组成及要求

脑电信号的采集是实现BCI技术的第一步。在基于想象左右手运动思维脑电的BCI实验研究中，采集的脑电信号主要是想象运动思维脑电。脑电信号采集系统的组成如图2-5所示，电极记录到的信号通过放大滤波处理后，再经过A/D转换为数字信号，输入计算机后进行进一步分析处理，最后得到BCI的控制信号(见图2-5)。

图2-5　脑电信号采集系统的组成

在通常情况下进行BCI实验时，对信号采集系统有如下要求:

(1)能准确、无失真地检测出脑电信号;

(2)尽可能减小各种干扰的影响;

(3)能快速地将信号转化为数字信号(A→D);

(4)应确保电气安全。

在以后的BCI应用中，设计脑电信号采集系统，除以上要求外，还可考虑以下因素:便携式、微型化设计、低功耗、节能设计和用遥测方式实现脑电采集。

二、记录部位与记录方式

思维脑电电位的记录可采用植入式电极和头皮电极两种记录方法。在第一章中已经比较详细地介绍了这两种方式的优缺点。本书主要采用头皮电极的方式记录脑电。记录脑电信号通常采用国际10～20系统电极放置法(每个电极与邻近电极离开10%或20%的距离)，位于左侧的是奇数，位于右侧的是偶数。图2-6是国际10～20电极放置图。

图2-6　10～20系统电极导联法示意图

记录想象左右手运动思维脑电电位的电极导联，有单极导联和双极导联两种方式。单极导联是指一个电极放置在皮层区，第二个电极(参考电极)放置在非皮层区，如耳垂。双极导联是指两个电极都放置在神经元活动的皮层区，记录到的波形是代表这两个皮层发生源的电位差。采用不同的导联方式或采用不同的记录电极位置，所测的脑电波形有所不同。

单极导联的含义是其作用电极置于头皮上，参考电极置于脑电位为零或接近于零的部位。参考电极的电位越接近于零，两电极间的电位差越近似于作用电极电位的绝对值，波形波幅失真越少。反之如参考电极受到临近部位脑波的影响时，便会失去其零电位时的图形特征，而出现所谓的参考电极“活化”现象(即参考电极作用电极化)，可导致定位的错误。某一参考电极出现伪差时，也会有类似情况，这个问题在以耳垂作参考点时尤为突出。另外一个重要因素便是两电极间的距离，距离大则两电极间所跨越的脑细胞的数量多，记录的脑电位高，反之脑电位则低。因此，参考电极的位置或其构成方式将决定单极导联记录的脑电图图形特征。

双极导联的两个电极都放置在头皮上，均能记录到一定的脑电位，通常记录到的电位都比较低。但由于其链状的联结方式不会导致某个电极电位的活化现象，而且由于这种联结方式可产生位相倒置，是定位的重要参考。双极导联的纵联法、横联法、三角联法、四角联法及十字联法都是一回事，其目的和作用都是发现位相倒置，帮助定位。联结链中联入电极的多少可视情况的需要而定，但联结链必须通过可疑病灶所在部位的电极。十字联法可使定位进一步优化，如当Cz处有病灶时，纵联的C3、C4和横联的Cz都会出现位相倒置，而横联的C3、C4不再出现倒置。因此，Cz的倒置才是病灶的确实部位，其他部位的定位可类推。

基于上述脑电图采样方式的讨论，本书中介绍的64导Neuroscan实验设备采用的是双极导联连接方式进行脑电信号采集。

三、Neuroscan脑电信号采集系统简介

在实验软件方面，该系统拥有SCAN 4.3脑电信号采集、分析软件，并具有Neuroscan设备接口的SDK开发包，专门用于EEG/ ERP数据分析的matlab和用于实验模式开发的Visual C++．net编程平台等。在实验硬件方面，SynAmps²的Headbox由64个单极、4个双极和2个high level输入组成，共计70导，同时采集时，每导的采样率能达到20000Hz。精心设计的启动和时间锁定功能确保系统中所有通道无相位偏差。SynAmps²还可以进行多导阻抗测量，研究者可同时看到所有导联的阻抗值，硬件图如图2-7所示。所有的通道都使用高质量的24位A/D模拟数字芯片来处理数据，这些数据通过USB 2.0接口传送到SCAN计算机。SynAmps²和SCAN的结合提供了强大的记录功能，可以在线实时处理数据，包括多种平均模式的建立，时域和频域地形图的绘制，数据重组，EKG/EOG伪迹的同步去除，以及精确的在线实时频谱分析等。

图2-7　SynAmps²脑电信号放大器