神经影像信号处理总成(EEG、SEEG、MRI、CT)

一. EEG(脑电图)

1.1 脑波

脑波（英语：brainwave）是指人脑内的神经细胞活动时所产生的电气性摆动。因这种摆动呈现在科学仪器上，看起来就像波动一样，故称之为脑波。用一句话来说明脑波的话，或许可以说它是由脑细胞所产生的生物能源，或者是脑细胞活动的节奏。人类每一秒，不论在做什么，甚至睡觉时，大脑都会不时产生像“电流脉冲”一样的“脑波”。脑波依频率可分为五大类：β波（显意识 14-30HZ）、α波（桥梁意识 8-14HZ）、θ波（潜意识 4-8Hz）及δ波（无意识 4Hz以下）和γ波(专注于某件事 30HZ 以上)等。这些意识的组合，形成了一个人的内外在的行为、情绪及学习上的表现。
EEG设备的一个缺点是空间分辨率 - 由于电极测量大脑表面的电活动，很难知道信号是在表面附近（在皮质中）还是在更深的区域产生的准确性。当然也有人通过计算的方法将采集的EEG信号进行反演到脑区位置，这是可能的，但这也不是绝对的精确。

1.2 伪迹

1.2.1 眼动伪迹

通常出现在额部，两侧对称性分布，可以以波形特征进行鉴别。
排除的方法包括以下几点：
1).要求受检者消除紧张心理，保持放松状态。
2).令受检者将手指尖轻压自己的眼部上方或眼睑，可以使较高振幅的眼球波得以控制。
3）在眼部附近放置电极，以监测眼动和鉴别眼部与额部慢波的关系。

1.2.2 肌电伪迹

使受检者全身放松，尤其是颈部、下颌。轻轻闭眼、张口、不吞咽、不咬牙等。 单个电极的伪迹，可以通过按摩该电极附近的皮肤和更换电极得以纠正。

1.2.3 运动伪迹

可以要求受检者停止运动，即可以消除运动伪迹。

1.2.4 心电伪迹

1.2.5 血管波伪迹

1.2.6 50Hz和静电干扰

装置屏蔽室是最有效的方法，如果在监护室或手术室进行脑电图描记，应尽可能远离电力线、减少电极线的摆动、容器内液体或其他物体的电荷运动。

1.3 伪迹去除方法

目前处理伪迹的方法主要有： 避免伪迹产生、直接移除法、伪迹消除法。

1.3.1 避免伪迹产生法

避免伪迹产生法(artifact avoidance)指的是在实验前告诉受试者不要眨眼或者做一些可能产生伪迹的动作。该方法在避免伪迹产生起到一定的作用，但有些伪迹比如心电等是不可避免的。

1.3.2 直接移除法

直接移除法(artifact rejection)是指通过观察或者自动识别的方法找出包含伪迹的EEG信号片段，直接删除这些信号。
直接移除法只能去除一些明显的包含有伪迹的信号。而且该方法还有一个缺陷，就是该方法会丢弃大量有用的信号，不利于信号数据比较少的脑电实验。

1.3.3 伪迹消除法

伪迹消除法(artifact removal)是指直接从脑电信号中识别并分离出伪迹信号，它在分离出伪迹信号的同时保留有用的脑电信号，是去伪迹中比较理想的方法。
1)回归法：基于时域或频域的回归方法可以去除与眼活动有关的伪迹，不过该方法的缺点是在去除眼电伪迹的同时，会删除与眼电相关的EEG信号。
2)阈值法：阈值法也可以消除眼电等干扰，其基本思路是丢掉幅度超过正常范围的记录时间段，缺点是相应时段的信息也一同丢掉。

3）时域信号处理方法：时域信号处理包括主成分分析法(PCA)和独立成分分析法(ICA),它们的核心是把EEG信号和伪迹分解到不同的信号成分中区，然后加以消除。经典的ICA算法有：FastICA算法、JADE算法、扩展最大熵算法以及informax算法。

二. SEEG(立体脑电图)

立体脑电图 (SEEG) 是一种微创外科手术，用于识别癫痫发作起源的大脑区域。在 SEEG 期间，医生将电极放置在目标大脑区域，然后对其进行监测以精确定位癫痫发作的来源。SEEG 可以找到常规脑电图 (EEG) 测试可能无法到达的大脑深处的癫痫发作部位。它覆盖大脑的两侧（半球）。为了植入电极，外科医生在头皮和颅骨上做 10 到 20 个（取决于患者）小切口，以尽量减少失血。电极通过小孔放置，可以在最小组织损伤的情况下探索大脑的大面积区域。

三. CT（计算机断层扫描）扫描

医疗专业人员使用计算机断层扫描（也称为 CT 扫描）来检查您体内的结构。CT 扫描使用 X 射线和计算机生成身体横截面的图像。它拍摄的照片显示您的骨骼、肌肉、器官和血管的非常薄的“切片”，以便医疗保健提供者可以详细了解您的身体。传统的 X 射线机使用固定管将 X 射线指向一个点。当 X 射线穿过身体时，它们会被不同的组织吸收不同的量。在胶片的黑色背景下，密度较高的组织比其他组织产生更白的图像。X 射线产生二维图像。CT 扫描有一个甜甜圈形管，可以围绕您旋转 X 射线 360 度。捕获的数据提供了您身体内部的详细 3D 视图。有时，您的扫描使用造影剂。这种造影剂，有时称为染料，通过突出某些特征来改善图像。根据 CT 扫描的类型和扫描原因，您的医疗保健提供者会让您喝一种含有造影剂的特殊液体，或者给您静脉注射造影剂，或者两者兼而有之。造影剂会通过尿液从您的身体中清除，在接下来的 24 小时内首先会很快，然后会更慢。

四. MRI(核磁共振)

MRI是利用强外磁场使氢质子在脉冲作用下，产生磁共振现象所进行的成像技术。CT照射伴有电离辐射，会造成一定的辐射损伤，而MRI的磁场没有研究明确表明会对人体会造成损伤。
由于成像原理不同，CT和MRI有很大的区别。

1、应用方式：CT在临床中有两种应用方式，即平扫、增强扫描。MRI的扫描方式多种多样，有普通平扫、脂肪抑制检查、水抑制检查、磁敏感加权成像、对比增强检查、MRA检查等；

2、分辨力：CT图像具有较高的密度分辨力，在密度分辨率上，CT具有较高的优势。MRI图像具有较高的软组织分辨力，在显示中枢神经系统及关节内结构与病变方面明显优于CT；

3、图像方位：CT以轴位断层图像为主，MRI可直接获取任意方位的断层图像，有利于显示组织、结构之间的解剖关系，也有利于明确病变的起源部位及范围；

4、参数选择：CT检查只有密度和窗宽、窗位参数可以调整。MRI检查有多个成像参数，每个参数所提供的信息不同，联合不同参数的图像有助于疾病的检出、诊断与鉴别。

此外，CT和MRI还有各自的特点，比如CT图像的密度能进行量化评估，使用CT值的密度量化单位可以明确不同密度的性质，可将密度差别小的软组织与其病变分辨出来，而MRI没有这种功能。而MRI可以直接进行水成像，利用T2WⅠ序列，不用任何对比剂就能整体显示含有液体的管道系统，此即MRI水成像，有利于观察胆管、尿路、脊髓。

MRI如何工作？

MRI是一种复杂的成像方法，在这，我们会进行简单的概述。

顾名思义，磁铁是磁共振成像的核心，但强度要高的多-比普通冰箱磁铁强约1000至3,000倍。MRI产生的磁场与氢原子中的质子相互作用（而我们身体大约有70％的水，这是非常有用的 - 磁体会影响到很多氢原子）。

通常，这些质子的面向是随机的，但加入磁场后，在磁场的作用下，它们中的很大一部分在同一方向上排列。所以，当我们躺在核磁共振成像机器中，氢原子(这些氢原子位于我们体内的水中)中的质子会指向大致相同的方向。

而接着，发射无线电脉冲(就像普通的无线电信号一样，速度更快)，这也会与质子相互作用，基本上将它们转向侧面。但是，由于射频只发生了片刻，质子便会松弛回到它们之前的对齐状态。

随着质子松弛，能量被释放，会被MRI机器中的传感器检测到。通过一些计算，计算机可以根据释放的能量确定组织的外观，并向我们展示组织的图像。

fMRI(功能磁共振成像)
如果一个人想移动他的右臂，则需要做一些事情：他的大脑的某些部分将增加其活动能力，发送消息以完成这个动作，而大脑的该区域将会接收到比以前稍微多的富含氧气的血液。

对于fMRI而言，同样的事情发生在MRI上-测量质子弛豫释放的能量 - 但计算的目的是确定含氧血流量的变化情况。

如果大脑的一个部位比其他部位有更多的含氧血液，那么大脑的这个区域可能更活跃。这被称为血氧水平依赖性(也称为Bloodoxygen level dependent, BOLD)。

这是我们在fMRI看到的数据，通常可以在MRI图像上看到。

fMRI的一个缺点是时间分辨率。由于血流变化需要几秒钟的时间，并且实际记录受到计算因素的限制，因此数据收集速度变慢。

这通常意味着参与者会多次受到刺激，并且每次记录他们的大脑反应的不同时间点（例如，在第一次刺激开始时记录反应，在第二次刺激开始后10ms记录反应，等等）。

这可能会破坏记录新反应的准确性，但确实提供了全方位的大脑反应。

它们是如何比较的?

正如我们在上面所介绍的，每种技术提供大脑成像信息的方式有几个不同之处。

还需要考虑其他(比如成本)——MRI核磁共振成像机的成本比EEG(脑电图成像机)要高得多(无论是购买还是维护)，而且所需的培训水平也要高得多。

用MRI / fMRI进行现场工作也不会发生，因为它们不够便携。

用脑电图进行实验也不需要太多麻烦——有时只需戴上耳机，检查数据质量。自动计算的指标还可以通过脑电图快速了解人类行为。

五. fNIRS(功能性近红外光谱法)

fNIRS是指将近红外光谱法(NIRS)用于功能性神经成像的目的。使用fNIRS，可通过与神经元行为相关的血液动力学反应来测量大脑活动。 它是一种使用光谱法测量大脑神经活动水平的神经成像方法。
fNIRS对大脑激活的血液动力学反应敏感。该技术还具有区分氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白变化的能力。该设备已成功实现为BCI系统的控制信号。
功能性近红外光谱技术是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似，即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化。其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长的近红外光吸收率的差异特性，来实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化，即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。

例如，当让受试者做右手手指运动任务时，其大脑皮层左侧运动放电，消耗氧和能量。此时，脑部血供系统的过补偿机制会向该局部大量输入含有丰富氧合血红蛋白的血液，从而导致该局部的氧合血红蛋白浓度增加，脱氧血红蛋白下降。fNIRS实验中，实验者让被试按照一定实验范式执行任务，同时使用fNIRS观测大脑不同位置的血红蛋白度的浓度变化，如果找到了某一脑区，其血液动力学活动与该任务设计相关程度很高，即可推断该脑区被实验任务激活。

fNIRS是如何工作的？

它探测的主要生理参数：组织中吸收色团（如HbO2、Hb、totalHb等）的浓度变化。

通过放置在我们大脑头上的光源和探测器进行局部血流信号的测量。

这通常意味着测量脑区的大小，取决于光源和探测器的排布以及设备的支持。fNIRS在这几种技术中最大的优势在于其时间分辨率比fMRI技术快，空间分辨率比EEG技术大，还有更重要的特点在于其便携性和伪影干扰小。