ERP简介医学影像与分子影像学

医学影像与分子影像学
田 捷
中科院自动化所医学影像研究室
Email：tian@
2004年9月
第八讲：功能成像方法与设备取技术 主要ERP成分及经典研究 刺激呈现与数据处理 正向问题及逆向问题
ERP信号的缺点
ERP的主要弱点在于低的空间分辨率， ERP在空间上只能达到厘米级，主要的 影响因素是容积导体效应与封闭电场问 题。另外，ERP只能采用数学推导来实 现脑电的源定位，比如偶极子，这种方 法的可靠性也是有限的。
头部定位系统
ERP记录装置是一个电极帽，上面有多个记 录或吸收头皮放电情况的电极，这些电极在 帽子上的位置是根据国际脑电图学会1958制 定的10－20系统（Jesper, 1958）确定的。 每一个电极记录到的脑电变化代表的是特定 位置头皮上的放电情况，掌握10－20系统是 进行ERP学术交流的条件之一。
E-Studio - Interface
E-Studio 由四 个部分组成:
1.Toolbox 2. Structure View 3. Properties Window 4. Workspace
ERP实验流程
数据处理步骤
滤波（filter） 分段（segmentation） 排除伪迹（artifact detection） 删除坏电极（bad channel replacement） 平均叠加（average） 参考点（Montage operation） 基线校正（baseline correct） 总平均（grand average）
E-Prime简介 E-Prime是实现心理实验计算机化的 一个可视化编程语言平台，是一个涵 盖实验生成到毫秒精度的数据收集分 析的应用软件套装。 功能：实验设计、生成、运行、收集 数据、编辑和预处理分析数据。
Eprime的优点
E-Prime能呈现的刺激可以是文本、图像和声音 （可以同时呈现三者的任意组合）。 提供了详细的时间信息和事件细节（包括呈现时 间、反应时间的细节），可供进一步分析，有助 于了解实际实验运行的时间问题。 专门面向心理实验，并针对心理实验的时间精度 作了优化。刺激呈现与屏幕刷新同步，精度可达 毫秒。 相对于传统编程语言，E-Prime易学易用，实验生 成快速。
N400
N400 ， 是 研 究 脑 的 语 言 加 工 原 理 的 常 用 ERP成分，最早由Kutas于1980年报告，这 一篇报告发表在当年的Science（207，203 －205）上。他们通过屏幕向被试呈现一些 句子，句子的每个单词从前往后是逐个出 现的，先出现的几个句子都是正常的符合 语法和语境的。在呈现句子时同步记录每 个单词呈现后引起的脑电变化。
ERP简介
ERP原理及提取技术 主要ERP成分及经典研究 刺激呈现与数据处理 正向问题及逆向问题
主要ERP成分及经典研究
ERP的先驱研究者经过四十多年的积累， 发现了一些经典的ERP成分，在发现这些 成分时所使用的一些研究方法对于后来者 有启发。 其中与心理学研究密切相关的成分主要包 括CNV （Contingent Negative Variation, 关 联 负 变 ) 、 P300 、 MMN （ mismatch negativity,失匹配负波)、和N400等。
参考点选取（Montage Operation）
可以将所有电极的平均作为参考。
基线校正（Baseline Correct）
校 正 时 一 般 选 择 所 有 导 联 （ all channel），即对所有电极点都进行校 正。基线是根据Epoch时设置的刺激前 到0点的时间段上的波形，一般设定为 100ms。
ERP的两个重要特征 事件相关脑电有两个重要特性：潜伏 期恒定、波形恒定；与此相对，自发 脑电则是随机变化的。所以，可以将 同一事实多次引起的多段脑电记录下 来，但每一段脑电都是各种成分的综 合，包括自发脑电（噪音）。
叠加技术 将由相同刺激引起的多段脑电进行多 次叠加，由于自发脑电或噪音是随机 变化，有高有低，相互叠加时就出现 正负抵消的情况，而ERP信号则有两 个恒定，所以不会被抵消，反而其波 幅会不断增加，当叠加到一定次数 时，ERP信号就显现出来了。
ERP信号的优势
ERP是刺激事件引起的实时脑电波，在时间 精度可达到微秒级。极高的时间分辨率是 ERP的主要优势，ERP也可以和行为数据， 特别是反应时间（RT）很好地配合，以研 究认知加工过程的规律。 通过叠加技术获得的与事件发生进程有锁时 （time-lock）关系的脑电就称为事件相关电 位（ERP）。
ERP简介
ERP原理及提取技术 主要ERP成分及经典研究 刺激呈现与数据处理 正向问题及逆向问题
刺激呈现与数据处理
实验程序采用Eprime软件编制。 基本实验流程包括实时（on-line）刺激呈 现、头皮脑电放大、模数转换（数据采 集）以及实验结束后离线式（off-line）数 据分析。 数据的离线处理的程序：滤波、分段、排 除伪迹、删除坏电极、平均叠加、参考 点、基线调整、总平均，共8个步骤。
删除坏电极通道 （Bad Channel Replacement）
进入电极状态图，如果电极是坏的， 将显示为红色，对这些红色电极加以 双击使之变成绿色，然后确定即删除 坏电极。
平均（Average）
根 据 需 要 ， 选 取 time domain 或 frequency domain进行平均叠加。这 一步主要是对相同任务引起的刺激加 以叠加。
头部定位系统
10－20系统的原则是头皮电极点之间的相对 距离以10%与20%来确定，并采用两条件标 志线。 一条称为矢状线，是从鼻根到枕外隆凸的连 线，从前向后标出5个点：Fpz、Fz、Cz、 Pz、Oz，Fpz之前与Oz之后线段长度占全长 10%，其余各点间距离均占全长的20%。
导联方法
Fp1 F7 F3
Pg1
Pg2
Fpz Fp2
F8 Fz F4
矢状线
A1 T3 C5 C3 Cz
C4
A2 C6 T4
冠状线
T5 Cb1 P3 Pz P4
T6 Cb2 O1 Oz O2
国际10—20脑电记录系统
头部定位系统
另一条称为冠状线，是两外耳道之间的连 线 ， 从 左 到 右 也 标 出 5 个 点 ： T3 、 C3 、 Cz、C4、T4。T3和T4外侧各占10%，其 余各点间距离均占全长20%。 注意，Cz点是两条 线的交汇点，常作为确 定电极帽是否戴正的基准点。
CNV
CNV（Contingent Negative Variation ）关联负 变。实验中，告知被试，他将得到两个信号（声 音或闪光等），他的任务是在第一个信号出现后 开始准备反应，但并不反应，当出现第二个信号 之后则要尽快做出反应；两个信号之间的时间并 不固定。 结果发现，在两个信号之间，被试的脑电出现了 负向偏转（或负向变化，负变），这个脑电负向 变化形成的类似高原的波形就是CNV，在被试完 成按键反应后CNV就消失了。
正向问题： 已知源和导体，求源所产生的场。
逆向问题： 已知导体及场，求源。
偶极子
偶极子（dipole）是由多对数值相等、符号 相反的电荷，彼此相隔一定距离时形成的 体系。偶极子被认为是ERP的脑内源。 在神经冲动的传导过程中，在两个神经元 之间的突触处形成负离子占优，在下一个 神经元的顶树突处形成一个纯粹的细胞外 负电位，同时在此神经元的其它部分（细 胞体和基底树突）又形成一个纯粹的正成 分，这样就构成了一个微小的电流偶极 子。
ERP分段叠加显示图
ERP是平均诱发电位
叠加n次后的ERP波幅增大了n倍，因而需要 再除以n，使ERP恢复原形，即还原为一次刺 激的ERP数值。所以ERP也称为平均诱发电 位，平均指的是叠加后的平均。这样就获得 了所希望的事件相关电位波形图。 因此，对于ERP研究来说，为了提取事件相 关脑电位变化，传统上不得不进行多次重复 刺激（次数记为n）。现在，可以通过计算机 叠加技术轻松实现上述过程。
ERP原理及提取技术 活的人脑总会不断放电，称为脑电 （EEG），但成分复杂而不规则。正 常的自发脑电一般处于几微伏到75微 伏之间。而由心理活动所引起的脑电 比自发脑电更弱，一般只有2到10微 伏，通常淹埋在自发电位中。所以 ERP需要从EEG中提取。
开放电场
脑电（EEG）是由于皮质大量神经组织的 突触后电位同步总和而成，而单个神经元 电活动非常微小，不能在头皮记录到，只 有神经元群的同步放电才能记录到。 这种脑组织神经元排列方向一致的情况， 构成所谓的开放电场（open field），反之 则是方向不一致相互抵消的封闭电场 （closed field）。
滤波（Filter）
目的在于排除50Hz市电干扰和其它伪 迹，这是根据频率来处理的。
对脑电分段（Segmentation）
按照预设的分析时程，以刺激物发生 为起点，对连续记录的EEG数据按照 事件发生时段进行分段。
排除伪迹（Artifact Detection）
这也是对波幅进行处理，不过它可以 针对一导或多导，根据某一范围的数 值，比如±100μV，超出这一范围的 成分则被删除。
开放电场与封闭电场图示
ERP原理及提取技术 因此，ERP只能反映某些脑部的激活 情况，而有些脑部即使处于激活状 态，但由于其神经元没有能够形成开 放电场，ERP上也是反映不出来的。
影响ERP信号记录的其它因素 除神经元的排列方式外，记录点与神经 元活动的距离也会影响ERP信号的采 集。这样就区分出了近场源与远场源， 初级体感诱发电位位于中央后回，是典 型的近场源，而脑干听觉诱发电位是典 型的远场源。离头皮越远则电位衰减越 厉害，记录到的脑电波幅也很小。
P300及Oddball范式
在这种条件下，实验记录到在小概率刺激 出现之后300ms时观察到一个正波，称为 P300，这个波在Pz点附近最高。研究发现 P300的波幅与所投入的心理资源量成正相 关，其潜伏期随任务难度增加而变长。