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在EEG/ERP研究中,最令人头痛的问题之一是各种干扰和噪声信号混入到EEG/ERP信号中,因此,数据分析的第一步其实就是去除不同形式的伪迹信号。这些不同形式的干扰和噪声,有些可以在EEG数据采集时尽量避免甚至消除掉,而有些只能在后续的预处理中去除。此外,由于滤波、ICA等操作会不同程度造成EEG信号的“形变”,因此,有一个潜在的原则是:尽量在EEG信号采集时减少干扰保证采集到高质量的信号,减少后续的预处理中的某些步骤。因此,熟悉EEG信号采集过程中可能出现的伪迹特点、起源对于采集到高质量的EEG信号至关重要。笔者在这里对EEG信号中的常见干扰和噪声信号进行系统总结,希望对大家有帮助。
1.眨眼Blink伪迹
每个眼球的前面(正面)存在一个正向电位梯度,而后面(背面)有一个负向的电位梯度,这就形成一个偶极子(dipole),这个dipole的电势分布从头前向后逐渐削弱。当眼睛不动时,这样的较为恒定的电场当然也会被EEG记录到,但是可以通过滤波或者baseline correction的步骤把其影响消除掉。但是,当眨眼时,眼睑会横越眼球,眼睑相当于一个变化的电阻,会改变dipole电势的分布,从而产生眨眼伪迹。 眨眼伪迹一般用VEOG(垂直眼电)电极记录,眨眼伪迹一般在Fp1、Fp2和Fpz处最大,并且从头前向头后逐渐衰弱(如图1);此外,VEOG和头皮电极上记录到的波形极性相反。
2.眼动(eye movement)伪迹
眼动和眨眼的原理相似,同样眼球作为一个前正后负的dipole,眼睛运动时,头皮电压梯度将变化,即眼睛运动指向的部位变得更正。眼动伪迹一般通过放置在眼睛左右的电极(HEOG,水平眼电)进行记录。大多数情况下的眼动将会是眼跳(saccade),即眼睛迅速发生弹道式转移。大多数情况下,被试朝一个方向眼跳之后会伴随另一个眼跳回到注视点,这会导致“篷车”或“斜篷车”的波形。典型的“篷车形”saccade伪迹如图2所示:
3.肌电干扰
头颈部的肌肉活动是EEG肌电干扰的最主要来源,颈部以下的肌肉活动一般不会对EEG产生较大的干扰。肌电EMG信号一般频率较高25Hz以上,幅度较大,一般表现出爆发式的波形,如图3所示。 肌电伪迹的主要来源包括:颞肌(如咬牙/咀嚼)、前额肌肉(如皱眉)、颈部肌肉活动(如吞咽动作)。
4.心电ECG干扰
ECG往往会很容易在乳突出现,如果以乳突作为参考电极的话,那么ECG会以颠倒的形状在所有电极中观察到。虽然有时可以通过稍微移动乳突或耳垂参考电极来减小ECG,但是一般不能完全消除。此外,ECG的频率大约为1Hz。典型的心电伪迹如图4所示。
5.工频干扰
50/60Hz工频干扰主要来自市电,主要原因是当电极的阻抗很高时,很容易引入工频干扰。高阻抗是因为头皮上未被清除的油脂、脏污等原因所致的电极接触不良。如果所有导联都出现工频干扰,那么很可能来自于接地电极或者参考电极的阻抗过高。典型工频干扰如图5所示。
6.出汗性伪迹
被试出汗会引起皮肤电阻的降低,从而引起EEG信号的非常缓慢(0.2-0.5Hz)的类似于基线漂移的电活动,即为出汗性伪迹。此外,出汗还容易引起电极松动,造成非常缓慢的电活动,如图6所示。
7.放大器饱和 EEG信号的慢性偏移严重的话就会引起放大器饱和,放大器饱和的结果就是信号呈现出水平直线,如图7中Blocking所示。
8.脉搏波伪迹 这种伪迹主要是由于电极正好位于某根血管上方或附近,血管随心跳而动,从而引起电极的微微移动。这种伪迹与脉搏同步出现,呈现周期性的大慢波。如果参考电极附近有血管的话,会引起所有导联的脉搏波伪迹。可以把电极从血管附件稍微移开一点,消除这种伪迹。典型的脉搏波伪迹如图8所示。
参考文献: [1] Luck. An Introduction to the Event-RelatedPotential Technique-Second edition [2] Juri D.Kropotov. Chapter 1.5 - SpontaneousElectroencephalogram. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-410513-3.00005-X [3] 赵仑.ERP实验教程 [4] Nidal Kamel_ Aamir Saeed Malik – EEG/ERPanalysis-methods and applications-CRC Press