脑电基础知识
脑电图检查
脑电图检查（Electroencephalography，EEG）通过放置适当的电极，借助电子放大技术，将脑部神经元的自发性生物电活动放大和转换，从而记录脑电活动。EEG 有着非侵入式、时间分辨率高、成本较低的优点，有着空间分辨率低、容易受到噪声影响的缺点，常用于癫痫诊断、睡眠监测、脑机接口、情绪识别等领域。
下面说明几个特点：
- 时间分辨率高：脑电直接记录神经元群体产生的电活动，能够以毫秒级精度反映大脑状态的变化。
- 空间分辨率低：电信号在脑组织和颅骨中传播时会发生扩散和混合，难以精确定位信号的来源区域。
- 容易受到噪声影响：脑电信号幅值极小，容易受到眼电（眼球运动）、肌电、心电以及工频干扰（50Hz 交流电）等各种生理和环境噪声的影响。
- 非线性、非平稳性：脑电信号是典型的非线性、非平稳生物电信号，其统计特性会随着认知状态、情绪和外界刺激的变化而动态改变。
脑电节律
如图左侧所示，脑电图是时域波形，直接分析原始波形虽能保留全部信息，但形态复杂且受噪声干扰大，难以量化。因此，如图右侧所示，常通过加窗傅里叶变换等算法将时域信号转换到频域，计算脑电图的功率谱密度，并提取各频段（δ、θ、α、β、γ）的频带功率作为频域特征，用于后续分析。
脑电信号中 δ、θ、α、β、γ 等频段内的特征性振荡活动与大脑不同的生理和认知状态密切相关，这些具有特定频率范围和生理意义的振荡活动称为脑电节律，其频率范围及典型生理意义如表。
| 频段 | 频率范围 | 常见状态 |
|---|---|---|
| δ（Delta，δ 节律） | 0.5–4 Hz | 深度睡眠、麻醉、婴幼儿脑活动 |
| θ（Theta，θ 节律） | 4–8 Hz | 浅睡眠、困倦、冥想、记忆加工 |
| α（Alpha，α 节律） | 8–13 Hz | 闭眼清醒、放松休息、注意抑制 |
| β（Beta，β 节律） | 13–32 Hz | 清醒、警觉、注意力集中、认知活动 |
| γ（Gamma，γ 节律） | 32–100 Hz | 感知整合、注意、认知加工 |
注：α 节律是由多个 α 波构成的持续性节律性活动。
电极放置
为了统一脑电采集位置，国际上采用 10-20 电极放置系统。
字母表示脑区：
- Fp：前额叶（Frontopolar）
- F：额叶（Frontal）
- C：中央区（Central）
- P：顶叶（Parietal）
- O：枕叶（Occipital）
- T：颞叶（Temporal）
数字表示左右位置：
- 奇数表示左侧
- 偶数表示右侧
- z 表示中线
如图，共有 19 个记录电极。
Fp1 Fp2
F7 F3 Fz F4 F8
T3 C3 Cz C4 T4
T5 P3 Pz P4 T6
O1 O2
2 个参考电极 A1（左耳）和 A2（右耳）。
每个电极采集到的脑电信号通常同时包含 δ、θ、α、β、γ 等多个频段成分，但不同脑区和不同生理状态下，各频段的能量分布存在明显差异，具体如表。
| 脑区 | 电极 | 常见优势频段 | 典型状态 |
|---|---|---|---|
| 前额叶 | Fp | δ、θ、β | 困倦、认知负荷 |
| 额叶 | F | θ、β | 注意力维持、工作记忆执行、认知加工 |
| 中央区 | C | μ（α 8–13 Hz）、β | 感觉运动活动、运动想象 |
| 顶叶 | P | α、β | 空间注意、感觉整合、体感信息处理 |
| 枕叶 | O | α | 闭眼清醒时最明显；睁眼或视觉任务时抑制 |
| 颞叶 | T | θ、α | 听觉加工、言语理解、情景记忆编码 |
当可用电极少于经典 10-20 系统的 19 个电极时，应根据研究目的选择关键脑区进行布置。例如，运动相关研究通常重点覆盖中央区及其周围区域，而注意力相关研究则通常重点覆盖前额叶、额叶和顶叶区域。但需注意，电极数量减少会进一步降低本就有限的空间分辨率。