腦電圖概述

介紹
腦電圖（EEG）是測量頭皮上由電流通過頭皮組織產生的電位變化。電流的強度和分布（因此也是電位）反映了底層神經組織中活動的強度和位置。EEG信號是在兩個電極之間測量的，其位置決定了記錄的腦部區域。通常會以標準排列方式放置多個電極，涵蓋整個頭皮，使研究人員能夠同時觀察整個腦部的活動。

EEG通常被記錄為電位差的時間序列，可以通過視覺評估，也可以通過頻譜分析，或者使用來源定位方法進行分析。EEG的主要頻譜成分被劃分為以下信號帶：delta（0-4 Hz）、theta（4-8 Hz）、alpha（8-12 Hz）、beta（超過12 Hz）和gamma（超過40 Hz）。許多研究已將EEG的各種頻譜成分的變化與特定的認知功能和臨床狀況相關聯。

應用
在臨床，持續腦電圖（continuous EEG）被用於監測睡眠和麻醉、以及診斷癲癇、昏迷、腦死亡，近期更包括注意力不足過動症（ADHD）。在研究環境中，EEG記錄被應用於廣泛的領域，包括：神經科學和認知心理學研究，以了解腦部功能；腦機界面，可以利用神經信號控制電腦或機器；神經回饋，用戶能夠訓練他們的大腦產生特定的活動模式；神經營銷，營銷公司試圖直接利用腦部信號來評估受試者的參與程度；神經人因學，研究人員在各種負荷下量化心理工作量；遊戲，腦電圖信號被用於控制電腦遊戲和玩具等。

使命

傳統的腦電圖系統需要高度訓練有素的技術人員替頭皮去角質、擺放電極和導電膠。這個過程耗時、對使用者造成刺激，並容易產生噪音和偽像，從而限制了在應用環境中對EEG監測的實際可用性。QUASAR的乾式電極腦電圖傳感器克服了這一技術障礙，消除了對去角質和導電膠的需求，並在自然環境中實現了快速以及把侵入性降至最低的EEG記錄。

 

技術概述

這種獨特、高保真度且實用的腦電圖（EEG）記錄技術，是由QUASAR的在DARPA、陸軍、空軍、NSF和NIH的資助下開發的乾式電極傳感器而建立的，並整合到頭戴式設計中，未經過培訓的人員也可以在沒有協助的情況下使用。這些超高阻抗的乾式傳感器能夠透過頭髮記錄高質量的腦電圖，而無需進行任何皮膚準備。（圖1A）QUASAR的乾式傳感器依賴於幾項技術進步來保證其性能，包括專利的電路設計，主動取消共模電氣偽像（如摩擦電放電或60Hz電源干擾），以減少偽像和環境噪音，以及屏蔽措施以減少對靜電噪音的敏感度。此外，頭戴式設計的機械結構包括嵌套式的彈簧隔離模塊，確保電極的穩定性和運動隔離，從而實現在行走過程中無干擾的收錄訊號。（圖1B）

圖1A		圖1B

 

乾式與濕式信號的品質比較

在實際操作環境中，對生物電位的實際感測，例如腦電圖（EEG），一直都受到需要進行皮膚準備和皮膚與傳感器之間的導電電解液的嚴重限制。另一個鮮少被注意到的問題是需要從身體到地面的低阻抗連接，以取消共模雜訊電壓。在這份報告中，我們描述了使用基於乾接觸電極技術的EEG硬件所獲得的EEG結果，該硬件使用專有的共模跟隨器（CMF），使得乾電極可以用於地面。本文介紹了使用可穿戴感測的DSI-24系統和傳統（濕式）EEG電極同時進行的聽覺誘發電位實驗的測量結果，濕電極和乾電極之間的相關性（對三位受試者進行平均）分別為93.6％（F3-P3）和95.7％（F4-P4）。
 

方法

實驗設計
本實驗總共有3名受試者，且具備IRB批准，進行QUASAR的EEG硬件測試。聽覺ERP任務使用了聲音產生程序（在PC喇叭上發出200個音調，平均間隔2秒），以刺激ERP信號。對於每個音調，PC的並行端口會輸出一個觸發信號到EEG硬件的觸發輸入線上。

EEG 硬件
受試者佩戴了Wearable Sensing’s 的DSI-24乾式電極EEG頭戴設備，該設備具有乾式電極生物傳感器，傳感器的位置大致符合國際10/20電極位置標準。濕式電極的測量使用Ag/AgCl EEG電極，注有Grass EC2導電EEG膏 (Astro-Med, West Warwick, RI)，並將其固定在受試者頭皮上。電極位置用酒精清潔以去除油脂，然後用NuPrep（Weaver＆Co.，Aurora，CO）磨擦。濕式電極信號是使用商業被動濕式電極EEG放大器以獲取，該放大器具有16通道EEG的24位元解析度和單一觸發輸入。濕式電極位於F1、F5、F2、F6、P1、P2、P5、P6電極位置，地面和參考電極分別放置在右耳垂和耳廓。

數據分析
F3-P3和F4-P4向量是從DSI-24傳感器中數位計算出來的。對於濕式電極的等效信號，通過以下方式近似組合濕電極信號：
F3-P3 = (F1+F5)/2 – (P1+P5)/2 和 F4-P4 = (F2+F6)/2 – (P2+P6)/2
濕式和乾式的F3-P3和F4-P4信號會進行濾波，使用無限脈衝響應（IIR）陷波濾波器進行陷波濾波（notch filter），然後在1-40Hz的頻帶內進行帶通濾波（bandpass filter）（-3dB）。ERP時間段落是取每個觸發訊號的 [-0.5秒，+0.5秒]時間區間。濾波後的信號幅度超過50微伏的時間段會不被納入分析。然後會計算乾式電極平均ERP和濕式電極平均ERP信號之間的樣本相關係數。

結果
所有三名受試者的結果在右側的圖中呈現，該圖是觸發前500毫秒到觸發後500毫秒的平均ERP信號。顯示的區間內，濕電極和乾電極之間的相關性（在3名受試者上平均）分別為F3-P3為93.6%，F4-P4為95.7%。
此外，亦有計算3名受試者的ERP振幅與觸發前噪音RMS電壓之間的平均信噪比（signal to noise ratios, SNR），乾式記錄為11.8 +/- 5.5，濕式記錄為12.6 +/- 2.2，顯示了相等的SNR。

聽覺誘發反應電位 (Auditory Evoked Response Potentials)

討論
使用乾式電極和濕式電極進行同時的ERP信號測量，在來自濕式和乾式電極的信號之間保留了出色的信號形態一致性；這種一致性在觸發前的“噪音”段以及N100-P200 ERP成分中都可以觀察到。這不僅在圖表中能明顯看出，在前後向ERP信號的相關值也都超過90％，以及兩種電極技術的SNR相等這一事實也可以證明。
 

舒適性分析

為了能在實際應用環境中被採用，監測系統應該易於使用、舒適並且不會干擾實驗執行。因此，QUASAR的頭戴式設備使用了專利的彈簧臂和傳感器支架的組合，使其可以迅速地像棒球帽一樣戴在頭上，而可控的伸縮關節可以根據不同的頭部尺寸同時定位21個傳感器，使其符合國際10/20系統。在測試頭戴式設備時，戴上設備並開始進行EEG測量的時間少於5分鐘。
重要的是，這些系統也非常舒適。在一系列長達4或8小時的記錄實驗中，QUASAR對於針對坐姿環境設計的乾式電極EEG頭戴設備的受試者進行了舒適性調查。受試者根據一個從1到10的分類評分標度對舒適性進行了評估，其中1表示“不可察覺”，5表示“可察覺但舒適”，10表示“難以忍受”。圖3呈現了將調查數據分成8個具體類別的總結。結果顯示，在所有類別中，受試者報告的耐受性和舒適度都很高，即使在佩戴8個小時後，受試者報告頭戴設備在所有分類指標上都很舒適。（受試者退出是由於實驗結束，而不是因為不適）

圖3：穿戴QUASAR的EEG頭戴設備或頭盔的受試者進行長達8小時的舒適性調查結果。Y軸是主觀評分的平均值，其中1被視為“不可察覺”，5被視為“可察覺但舒適”，10則表示疼痛。(#)表示在時間段內的受試者人數。

總結來說，QUASAR的乾式電極EEG技術非常適合在實際世界的培訓環境中使用，無論是因為其高保真度、無偽像的信號質量，還是因為其實用舒適的無線頭戴設備不會干擾任務執行。這項技術在培訓環境中獨具應用價值。


資料來源：https://wearablesensing.com/dry-electrode/
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