介绍EEG放大器的主要参数

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在最近一段时间，我没有更新我的写作文章，不论是更新如何东西，难能可能的东西是坚持的创作。对于我个人而言，接触的知识少了也就创造的动力也就少了，但我也在不断的夯实基础知识，我有着很多年的经验知识，尤其是在EEG、fNIRS以及EyeTracking技术领域，因此在创作过程中更多的是涉及这些方面的知识，当然我也对很多知识领域感兴趣，欢迎添加文章底部的公众号小助手与我交流，但请千万不要把他当成是提问的地方，有的是交流和学习，才能创作出新的知识。

回到本文的主题来，本文主要是对我很早发布的一篇文章的延伸，传送门《脑电设备的一些参数》这篇文章我更新于2018年，可想而知，公众号已经有3岁多了，更新创作的文章我也不知道有多少，因为没数过hhh。

对于今天要谈到的设备参数，其实在很多设备上都会有涉及，不论是眼动、脑电以及近红外设备，都会有相关的参数，今天主要针对的是EEG设备的部分。

介绍到EEG的部分，我想有很多文章是值得参考的，根据我个人的经验，我会将EEG的设备，分为三个主要的部分：

1、电极传感层，俗称，电极帽

对于电极帽的详细知识，可以参考文章：《脑电电极帽》

2、放大器部分，信号的模拟和数字信号

这是关键的部分，也是评价EEG设备的好坏的主要组成部分

3、采集端，显示数字信号的软件部分

这一部分对于每个设备来说，基本上是大同小异的，主要包括阻抗检测显示。workspace的参数设置，原理一样，可能软件操作不同。可以参考不同设备的指导手册

放大器部分

脑电放大器是数据采集系统的主要部分，负责对来自电极帽传感器的模拟电信号进行采集、放大和转换为可由采集端计算机处理的数字信号。

在我的个人工作中，我会经常性的对比这些设备的各种参数，如采样率、带宽、噪声水平、共模抑制比等等。

今天就给大家介绍一下这些参数的定义，希望能带来不一样的认识EEG设备。

采样率：

采样率是指每单位时间测量信号的次数，通常以赫兹 (Hz) = 1/秒表示（下图）。我们通常采集的EEG信号是模拟信号，在时间上是连续的信号，但是在被采集端处理的时候，是将模拟信号转化为数字信号被储存下来的，数字信号是离散的信号。

从上图可以看出，设备的采样点越多，那么所模拟的信号就会越好。

在EEG信号中，我们通常会将由大脑产生的信号，分为以下几个节律频段：delta (0.5 – 4 Hz)、theta (4 – 8 Hz)、alpha (8 – 12 Hz)、beta (16 – 24 Hz) 和 gamma（最高 80 Hz），每个频段针对不同的领域都有不同的意义。特别是像alpha频段，当我们闭上眼睛放松的时候，就会是满屏的alpha波。当然除此之外，也有很多科研学者研究低频信号的振荡（DC-0.5Hz），这种慢皮层电位在某些方面也能反映大脑加工的机制。

根据采样率必须至少是被测信号最大频率的倍，这是奈奎斯特采样定理来阐述的，可以参考知乎问答中对奈奎斯特采样定理的解答。因此，在我们所要记录下来信号中，所满足的最小采样率必须是160Hz以上（80Hz的两倍），这个参数基本上市面上的放大器基本都满足的，有的甚至说是有上万的采样率，我也从未使用过hhh。

带宽：

带宽是脑电图系统根据采样率和放大器内部滤波器进行测量的有效频带。通常情况下，放大器都有硬件的内部了滤波器：1）符合奈奎斯特定理的低通滤波器；2) 高通滤波器，用于消除 EEG 偏移和直流分量，以避免内部电子设备饱和（没有高通滤波器的放大器称为直流耦合，DC信号）。滤波器的设计会衰减低频和高频。带宽是信号幅度衰减小于3dB的频带。3dB的频带是指是比峰值功率小3dB（就是峰值的50％）的频谱范围的带宽。

带宽的设计一般取决于自己所想要采集的信号范围，对于EEG的大多数实验而言，通常需要覆盖80Hz左右的所有频率范围，当然所取决的范围越大，则所采集的范围信号越多，但是所产生的噪音信号就越多。对于一些研究缓慢的皮层电位信号的人来说，所选择的放大器应需要包含直流耦合的功能，即放大器应该是直流耦合的或具有接近 0Hz 的高通截止频率，这样才能记录下直流DC的信号。

A/D转换：

它其实就是模拟信号转换为数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器）。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。该过程是A/D转换器使用特定数量的bit对每个电压值进行编码。这个bit就是放大器的分辨率/解析度，有时候也叫采样精度。

选择 EEG 系统时：临床或高质量研究 EEG 放大器的标准分辨率至少为 24 bit。

输入噪声：

输入相关噪声是放大器内部电路产生的噪声电压或电流，即使输入端没有信号。由于 EEG 信号的幅度低至几微伏，在大多数情况下，输入噪声越小越好，在有些情况下，输入噪声实际上对提高分辨率是有帮助的。因此该噪声小于 1μVrms 非常重要。对于输入噪声也是评价一个设备的好坏的条件之一。

对于输入噪声详细的介绍，可以参考网络上的这篇文章《好噪声还是坏噪声》

输入范围：

放大器的输入范围是饱和前可记录的最大幅度信号。通常情况下，放大器的输出范围是有限固定的，并和电源输入油管。输入范围由输出范围和放大器的内部增益（即输入信号被放大的次数）决定：Vout = G x Vin。可参考文章《运算放大器输入与输出电压范围》

EEG 放大器的输入范围需要包括 EEG 信号的最小值和最大值以及来自干扰 EEG 的其它生理或移动过程的那些干扰值，包括 EOG、EMG和偏移电压等。如果物理信号超出输入范围，则超出的部分将显示为平波也即不再进行测量，常见于直流耦合的放大器中。

共模抑制比（CMRR）：

CMRR 是差分放大器中衰减共模电压（即放大器的正负输入端均保持恒定的电压）同时放大差模电压VDM（即，正负输入之间的电压差）（图 5）。例如，对于 EEG 放大器，CMRR 是指放大脑电图信号的能力（测量为电极“n”和参考电极之间的电压差），同时衰减 50/60Hz 干扰信号。

可以参考内容《共模抑制比CMRR是什么？CMRR的技术及计算公式详细说明》

CMRR 越高，放大器性能越好，因为它能够以更高的系数衰减共模信号（不需要的信号）。对于脑电放大器的选择，共模抑制比在 50/60Hz 时必须至少为 80dB。

输入阻抗：

输入阻抗（input impedance)是指一个电路输入端的等效阻抗。可以参考文章《输入阻抗真的越大越好吗？》

EEG 放大器接收来自高阻抗电极的信号，重要的是尽量减少已经非常微弱的信号幅度（微伏）的任何衰减，以避免失去分辨率。在不降低电极阻抗的情况下保持信号幅度的唯一方法是使用具有高输入阻抗的放大器。放大器的输入阻抗越高，它对高电极阻抗的响应越好。EEG 记录的电极阻抗范围从 1k 到 1M 。因此，放大器的公共输入阻抗应至少为 100M（即电极阻抗的 100 倍），以便将信号衰减限制到最小。