ERP技術(shù)原理魏景漢

（中國(guó)科學(xué)院心理研究所）ERP技術(shù)原理1875RichardCaton等首先在暴露的家兔腦表發(fā)現(xiàn)腦的自發(fā)電活動(dòng)

1924HansBerger首次在顱骨損傷病人大腦皮質(zhì)和和正常人頭皮上記錄到EEG

1929HansBerger首先發(fā)表頭皮記錄的EEG論文，并報(bào)告心算可引起EEG的α節(jié)律減少。當(dāng)時(shí)電生理學(xué)家正致力于動(dòng)作電位研究，認(rèn)為Berger觀察到的EEG節(jié)律是一種噪音。

1934Adrian等、1935Jasper等也觀察并證實(shí)了Berger的觀察，EEG的客觀存在才得到了認(rèn)可。

EEG含有心理與生理信息，但不是信息引起的波形本身

ERP是信息引起的波形本身，但淹沒在EEG中，通常觀察不到，需提取EEG的發(fā)現(xiàn)ERP技術(shù)原理一、EEG對(duì)ERP的淹沒與疊加基本原理（一）特性：

1．淹沒，約2微伏~10微伏。

2．兩個(gè)恒定：潛伏期、波形。（二）出現(xiàn)：1935-1936PaulineandHallowellDavis首先在清醒人記錄到感覺EP。1939Davis等首次發(fā)表ERP論文，單次刺激誘發(fā)，EEG平靜時(shí)記錄。1947Dawson首次報(bào)道用照相疊加技術(shù)記錄人體EP。1951Dawson首次發(fā)明機(jī)械驅(qū)動(dòng)-電子存儲(chǔ)式EP疊加與平均方法（張明島等，1995），開創(chuàng)了神經(jīng)電生理學(xué)的新時(shí)代。1962GalambosandSheatz首次發(fā)表計(jì)算機(jī)平均疊加ERP論文。1964GreyWalter等發(fā)表第一個(gè)認(rèn)知ERP成分（CNV），標(biāo)志著ERP研究新時(shí)代的開始。ERP技術(shù)原理1966:1771967-68:15011969-70:19711971-72:20631973-74:22161975-76:25381977-78:26241979-80:34451981-82:42081983-84:44161985-86:45381987-88:46101989-90:48041991-92:54791993-94:53861995-96:54611997-98:58881999-00:62052001-02:62992003-04:6996ERP的發(fā)展趨勢(shì)ERP技術(shù)原理（三）EEG對(duì)ERP的淹沒與疊加基本原理ERP技術(shù)原理ERP技術(shù)原理

計(jì)算機(jī)不設(shè)置負(fù)值，只有正值，波的低谷也為正值，故噪聲疊加也增大，而不是互相抵消。信噪比的提高值與疊加次數(shù):。例：原信號(hào)2微伏/噪音10微伏=0.2，疊加100次后（2微伏×100）/（10微伏×

）=200微伏/100微伏

=2

二、噪音、干擾、偽跡的概念噪音：自發(fā)電位、儀器的本底噪音。干擾：50Hz市電。偽跡：被試的EOG、運(yùn)動(dòng)電位等。ERP技術(shù)原理EEG放大A/D疊加總測(cè)量轉(zhuǎn)排偽存盤平繪圖EOG模濾換數(shù)濾均統(tǒng)計(jì)光盤記錄(離線式)三、ERP數(shù)據(jù)提取過程ERP技術(shù)原理（一）增益(Gain,放大倍數(shù)Amplification):

（1）一般取105。（2）含HeadBox150倍。（3）VEOG與HEOG應(yīng)減小。（4）分貝與放大倍數(shù)的關(guān)系：1dB=20logA，logA=dB/20

例如，A=10000，則可表示為80dB。

120dB，則logA=120/20=6，A=106。（5）易犯錯(cuò)誤：取值過大而超限，表現(xiàn)為削頂，甚至成為直線。ERP技術(shù)原理（二）共模抑制比（辨差比，Commonmodelrejectionratio,CMRR）減少50周干擾的能力：信號(hào)雙邊輸入，輸出兩邊之差。

CMRR=Ad/Ac,

Ad：異相信號(hào)放大倍數(shù)。Ac：同相信號(hào)放大倍數(shù)。Ac<1。

例如，

Ad=50000，Ac=1/20，則CMRR=106=120dB。ERP技術(shù)原理ERP技術(shù)原理（三）通過模擬濾波（設(shè)定頻帶寬度）減少噪音與干擾(1)頻響曲線：任何放大器只能對(duì)一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)超過者不放大；該范圍表示為頻響曲線。ERP技術(shù)原理頻率Hz放大倍數(shù)

Ad0.7FLFh頻率響應(yīng)曲線頻帶寬度：（約0.7）倍Ad時(shí)，高低頻響間頻帶寬。范圍的兩端皆可調(diào)。ERP技術(shù)原理(2)時(shí)間常數(shù)：TC=1/（2πfL），fL為低端頻響。低端頻響=高通(high-pass)值，高端頻響=低通(low-pass)值。(3)設(shè)定頻帶寬度，使其僅夠放大擬研究的ERP信號(hào)，則落在頻帶外的噪音與干擾信號(hào)不被放大，達(dá)到排除噪音與干擾信號(hào)目的。頻帶寬度的設(shè)定數(shù)值將直接影響ERP波形是否失真，至關(guān)重要。

ERP技術(shù)原理時(shí)間常數(shù)對(duì)波形的影響若TC=10，則FL=1/2πTC=1/62.8=0.0159Hz若TC=1，則FL=1/2πTC=1/6.28=0.159Hz若FL=0.01Hz，則TC=1/2πFL

=1/0.0628=15.9若FL=0.05Hz，則TC=1/2πFL

=1/0.314=3.18若FL=0.1Hz，則TC=1/2πFL

=1/0.628=1.59ERP晚成分一般應(yīng)取FL=0.01Hz，最多取0.05，見上圖。ERP技術(shù)原理易犯的錯(cuò)誤：

①off-line進(jìn)行不必要的數(shù)字濾波(digitalfilter)。②on-line進(jìn)行陷波(Notch)。③低端不夠低。（四）數(shù)字濾波：一般不用。用于陷波去50周干擾，或只留慢波等特殊情況。ERP技術(shù)原理（五）A/D轉(zhuǎn)換精度―ERP的波幅分辨率。舉例說明。

A/D轉(zhuǎn)換卡Analogtodigitalconverter采樣分辨率≥12bit（位）,輸入電壓范圍=±5V.超過者視為±5V而失真.12bit意味著212=4096,可將輸入電壓10伏分為4095個(gè)等級(jí),

每個(gè)等級(jí)10V÷4095=2.442mV.

若Ad=20000,

則還原為放大前的腦電分辨率=2.442mV÷20000=0.1221μV.

即<0.1221μV的腦電變化就測(cè)不出來(lái)。為提高腦電分辨率，根據(jù)上列公式，可以

[1]提高采樣分辨率，現(xiàn)已多用14bit，每個(gè)等級(jí)10V÷16383=0.61mV.

若Ad=20000,則還原為放大前的腦電分辨率0.61mV÷20000=0.0305μV.[2]在可能的范圍內(nèi)增大Ad。若Ad=20000,則還原為放大前的腦電分辨率0.61mV÷20000=0.0306μV.

若Ad=40000,則還原為放大前的腦電分辨率0.61mV÷40000=0.0153μV.ERP技術(shù)原理例如,有5μV的腦電信號(hào).若基線為15μV,則處于20μV的位置，放大后不得超過5V，則最多只能放大5V/20μV=250,000倍因?yàn)?0μV×250,000=5V，已達(dá)極限值.若基線為0μV,則處于5μV的位置最多可放大5V/5μV=1,000,000倍因?yàn)?μV×1,000,000=5V，才達(dá)極限值.為了增大放大倍數(shù)Ad，應(yīng)調(diào)節(jié)腦電基線接近零，以便進(jìn)一步充分放大腦電信號(hào),又不致超出±5伏的采樣范圍。調(diào)節(jié)腦電基線接近零可防止不必要的失真。例如腦電50μV，基線200μV，共250μV，放大30000倍后腦電成為7.5V，溢出的2.5V被削頂失真。若基線為0，則50μV放大30000倍為1.5V，正常。ERP技術(shù)原理（六）A/D轉(zhuǎn)換速度（采樣速度）―ERP的時(shí)間分辨率

在A/D轉(zhuǎn)換精度足夠的情況下，A/D轉(zhuǎn)換速度，即采樣速度決定著ERP的波幅精度與ERP的時(shí)間分辨率（見圖）。

ERP時(shí)間分辨率高的根本原因是由于它是對(duì)神經(jīng)元自身活動(dòng)的測(cè)量，而不是像PET、fMRI、光成像那樣只是對(duì)神經(jīng)元代謝產(chǎn)物的測(cè)量。其次，電子技術(shù)的發(fā)展使采樣率大為提高，也為ERP的高時(shí)間分辨率提供了保障。目前ERP的時(shí)間分辨率在理論上已可達(dá)到微秒級(jí)。實(shí)際上，在記錄早成分時(shí)，由于它在10ms內(nèi)有七、八個(gè)波，記錄由256點(diǎn)以上組成，因此點(diǎn)間距即時(shí)間分辨率小于40μs。一般的ERP儀器采樣頻率也大于2000Hz/導(dǎo)，即時(shí)間分辨率≤0.5ms?？偛蓸宇l率=（頻率/導(dǎo)）*導(dǎo)數(shù)。減少導(dǎo)數(shù)則時(shí)間分辨率相應(yīng)提高。設(shè)置時(shí)間分辨率的一般原則是，組成Epoch的點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于128點(diǎn)。ERP技術(shù)原理

理論上，A/D轉(zhuǎn)換精度與采樣速度的設(shè)置應(yīng)該同時(shí)考慮，做到匹配，否則將達(dá)不到設(shè)置精度，造成浪費(fèi)。因?yàn)?，如果采樣速度過快，兩點(diǎn)間時(shí)間過短，其間的電位變化小，受轉(zhuǎn)換精度限制不能顯出差異；如果采樣速度過慢，兩點(diǎn)間時(shí)間過長(zhǎng)，其間的電位變化大，轉(zhuǎn)換了幾個(gè)等級(jí)才采一次，高轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生的電位差不能被采到。實(shí)用中，A/D轉(zhuǎn)換精度是由硬件固定了的，我們要根據(jù)所觀察波形的疏密程度設(shè)置采樣速度。ERP技術(shù)原理（七）排除偽跡與校正偽跡：CNT文件。例如EOG。（1）排除EOG的基本原理：ERP技術(shù)原理（2）易犯的錯(cuò)誤：采用新的PCA、ICA方法進(jìn)行EOGrejection，甚至電極帽沒有EOG雙極導(dǎo)聯(lián)，只能用PCA方法排除EOG（廠家問題）ERP技術(shù)原理（一）國(guó)際10-20系統(tǒng)雙耳孔間依10%與20%定出5個(gè)點(diǎn)；鼻根與枕骨粗隆間經(jīng)Cz依20%定出2個(gè)新點(diǎn)；雙側(cè)T3與T4、前后距鼻根與枕骨粗隆10%處，共4點(diǎn)連線成一周，按20%定出8個(gè)新點(diǎn)；空間等距距離地定出4個(gè)點(diǎn)，有效電極共19個(gè)點(diǎn)。再加兩個(gè)耳垂參考電極，共21個(gè)點(diǎn)。四、導(dǎo)聯(lián)方法（二）單極導(dǎo)聯(lián)與雙極導(dǎo)聯(lián)（三）多導(dǎo)與定位

1、頭顱形狀、大小差異的解決。

2、偶極子溯源。ERP技術(shù)原理（四）參考電極問題單極導(dǎo)聯(lián)的參考電極是各導(dǎo)放大器的一端共同連結(jié)的部位，各導(dǎo)的電位都是與它的電位相減的結(jié)果。理想的參考電極點(diǎn)應(yīng)該是電位為零或電位恒定的部位，但是人體是一個(gè)容積導(dǎo)體，生物電無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不變，這樣，理想的參考電極應(yīng)放在無(wú)限遠(yuǎn)處，其生物電為零，各有效電極的電位不受生物電影響，相互間具有絕對(duì)的可比性，但這樣的部位是不存在的。在過去生物電研究的100年間，關(guān)于參考電極的爭(zhēng)論從來(lái)沒有停止過，是目前仍無(wú)結(jié)論的問題。參考電極的設(shè)置顯然對(duì)數(shù)據(jù)有明顯影響，因此這是一個(gè)重要的問題。這里僅簡(jiǎn)單討論幾種常用的腦電參考電極設(shè)置。1、雙耳參考：將雙側(cè)乳突或耳垂連接作參考電極。由于乳突或耳垂的腦電一般較小，較符合要求，而且以其連接所得的平均電位作參考，與兩半球距離相同，不會(huì)造成腦的兩半球電位關(guān)系的失真，故曾經(jīng)長(zhǎng)期成為經(jīng)典方法使用。其優(yōu)點(diǎn)還有，由心臟中的偶極子產(chǎn)生的體表電流會(huì)循環(huán)流過頭部，從而在腦電電極處引起虛假的電位變化。由于雙耳間的低阻通路會(huì)短路心電電流，從而阻止其在頭部的流動(dòng)，因此連接雙耳作參考點(diǎn)可減少ECG干擾。但雙耳電位在腦的活動(dòng)中也在不斷變化，且二只耳的電位未必相同，因此這種強(qiáng)制雙耳電位相同的做法實(shí)為局部短路，會(huì)扭曲腦電源在頭表產(chǎn)生的電位分布。且不能測(cè)量乳突附近的腦電變化，如MMN。該法現(xiàn)已過時(shí)。ERP技術(shù)原理2、鼻尖參考：將參考電極放在鼻尖。由于雙耳參考法不能觀察乳突附近腦源的活動(dòng)，而有的腦電如聽覺MMN的一個(gè)源恰在乳突附近，所以在研究源位于乳突附近的腦電活動(dòng)時(shí)，常常將參考電極放置在鼻尖。3、平均參考：在用普通參考電極記錄EEG后，求出全部記錄點(diǎn)的平均值a，以各記錄值減去該平均值后的差值作為實(shí)際的腦電數(shù)據(jù)。其目的在于消除原始記錄中的參考電極電位變化所形成的誤差。依據(jù)是，假設(shè)人腦和顱骨是均勻的圓球體，球體表面均勻放置足夠的記錄電極，偶極子位于球心。此時(shí)腦電源形成的全部電極點(diǎn)的固有電位的和應(yīng)該為零，當(dāng)然平均值Vi=0。由于實(shí)際記錄時(shí)必須設(shè)置參考電極，各點(diǎn)皆從固有電位中減去了參考電極點(diǎn)的固有電位x（這是腦電差動(dòng)式放大器放大EEG的必然結(jié)果），所以全部各點(diǎn)記錄值的平均值變成了Vi–x，這個(gè)值就是上述a，即a=Vi–x=–x，x=–a。擬恢復(fù)為固有電位，應(yīng)每點(diǎn)皆加參考電極點(diǎn)固有電位x，即減a，所以上述做法是正確的。

該法的優(yōu)點(diǎn)是可以排除記錄電位所受到的參考電極點(diǎn)電位的影響，得到固有值。其缺點(diǎn)在于它是基于理想的頭顱條件計(jì)算出來(lái)的，與真實(shí)情況相差很大，因此它所帶來(lái)的誤差是不容忽視的。ERP技術(shù)原理4、單耳參考：目前較好的方法是以一只乳突/耳垂為參考進(jìn)行記錄，然后再轉(zhuǎn)換為雙乳突/耳垂為參考之值。該法既具有上述雙耳參考之基本優(yōu)點(diǎn)，又避免了物理連接造成的電位分布失真，故成為目前常用的方法。建議統(tǒng)一采用左乳突作為參考電極記錄。由于兩只參考電極在原帽子內(nèi)已連在一起，故此時(shí)要將另一只參考電極應(yīng)該閑置。將一枚有效電極改連在右乳突上，可取一只無(wú)用的電極（例如耷拉在帽子外的未用電極或HEOG電極等）貼在右乳突上，使成單極導(dǎo)聯(lián)。記錄后，各有效電極的ERP值皆減右乳突ERP值之半，即得兩乳突連線作參考之ERP值，因?yàn)閮扇橥贿B線作參考實(shí)為各點(diǎn)皆減其均值，現(xiàn)其均值即是左乳突ERP值加右乳突ERP值之半。證明1：設(shè)作參考的左乳突ML的固有電位為L(zhǎng)m，右乳突MR的固有電位為Rm，則其均值為(Lm+Rm)/2。ML作參考后MR的記錄值r=Rm-Lm，移項(xiàng)得Rm=Lm+r。代入上式ML與MR的均值即得(Lm+Lm+r)/2=Lm+r/2。由于各點(diǎn)記錄值已減Lm，故應(yīng)再減r/2。ERP技術(shù)原理證明2：設(shè)A點(diǎn)的記錄值為a，固有值為A，則a=A–Lm

設(shè)右乳突的記錄值為r，則r=Rm–Lm

設(shè)擬求的A點(diǎn)在左右乳突均值作參考時(shí)的值為a’，則

a’=A–(Lm+Rm)/2=A–Lm/2–Rm/2=A–(Lm–Lm/2)–Rm/2=A–Lm+Lm/2–Rm/2=(A–Lm)–(Rm/2–Lm/2)=(A–Lm)–(Rm–Lm)/2=a–r/2ERP技術(shù)原理無(wú)論以左耳還是右耳為參考記錄，換算的雙耳作參考的ERP值是相同的：設(shè)：A點(diǎn)在左側(cè)乳突作參考時(shí)的記錄值為aL，右側(cè)乳突記錄值為rR,

換算為雙乳突作參考的計(jì)算值為aL’A點(diǎn)在右側(cè)乳突作參考時(shí)的記錄值為aR，左側(cè)乳突記錄值為rL,

換算為雙乳突作參考的計(jì)算值為aR’

求證：aL’=aR’證：aL’=aL–

rR/2=(A–Lm)–(Rm–Lm)/2=A–Rm/2–Lm/2

aR’=aR–

rL/2=(A–Rm)–(Lm–Rm)/2=A–Rm/2–Lm/2∴aL’=aR’

過去有的軟件為求源需用具體座標(biāo)值作參考，因此只能以一個(gè)實(shí)點(diǎn)作參考電極，現(xiàn)在有些求源軟件已不再要求用戶給出參考電極座標(biāo)，自動(dòng)地以全部電極均值作為參考，而不管用戶的參考電極位置。此時(shí)仍可用單側(cè)乳突/耳垂作參考電極記錄。ERP技術(shù)原理5、以左側(cè)乳突為參考記錄，如何換算為其他點(diǎn)作參考之值有人認(rèn)為，求源軟件如BESA應(yīng)以中線點(diǎn)為參考，以便左右半球?qū)ΨQ，此時(shí)應(yīng)換算為該點(diǎn)作參考之值。方法：該點(diǎn)作為有效電極記錄，然后從各點(diǎn)記錄值中減該點(diǎn)記錄值即可。證明：設(shè)：擬作新參考電極點(diǎn)的固有值為C，某點(diǎn)換算后之值為，余設(shè)同上。證：ERP技術(shù)原理6、有人認(rèn)為，求源軟件如BESA應(yīng)以中線點(diǎn)為參考，以便左右半球?qū)ΨQ，因此有的帽子以中線上Cz與CPz之間的一點(diǎn)作參考。此時(shí)ERP值應(yīng)轉(zhuǎn)換為雙側(cè)乳突連接作參考之值。方法：雙側(cè)乳突皆作為有效電極記錄，然后從各點(diǎn)記錄值中減雙側(cè)乳突記錄值之均值。證明：設(shè)：參考電極點(diǎn)的固有值為C，余設(shè)同上。證：將上列各式代入，則ERP技術(shù)原理五、ERP的研究分類（一）按感覺通路：AEP、VEP、SEP（二）按潛伏期：早、中、晚成分、慢波。例AEP。ERP技術(shù)原理（三）命名法：正P負(fù)N潛伏期。如P300,N400,N170。（四）向上為負(fù)。（五）成分、外源性成分、內(nèi)源性成分和純心理波的概念。純心理波：運(yùn)動(dòng)前電位、刺激遺漏成分、解脫波。ERP技術(shù)原理六、幾個(gè)常見問題（一）Greenhouse-Geiser矯正法（出版標(biāo)準(zhǔn)）ERP數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理一般采用重復(fù)測(cè)量的方差分析。方差分析以方差齊性為前提，可是通常ERP實(shí)驗(yàn)不同組（條件）間的數(shù)據(jù)是不同源的，非為齊性，所以應(yīng)該對(duì)P值進(jìn)行矯正。Greenhouse-Geiser法是被規(guī)定接受的矯正方法。在SPSS統(tǒng)計(jì)軟件包中，當(dāng)進(jìn)行ANOVA（或MANOVA）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾種供選擇的結(jié)果，此時(shí)選擇Greenhouse-Geiser矯正結(jié)果即可。該法得到一個(gè)ε值，它小于1，用它乘以原自由度df，得出新的自由度df’，這就是矯正后的自由度。這樣，這個(gè)df’一般是小數(shù)。用df’和原t值運(yùn)算就得出了矯正后的P值。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中需要報(bào)告df’或ε值之一，不能只報(bào)告矯正的P值。

ERP工作者可以不管此計(jì)算過程，只要會(huì)用就可以了。該法的具體計(jì)算可讀JenningsJR&WoodCC(1976),Psychophysiology,13,277-278。ERP技術(shù)原理重復(fù)測(cè)量的方差分析簡(jiǎn)單來(lái)說，對(duì)于兩個(gè)因素A和B，如果A的每一個(gè)水平Ai（i=1,2,3,…..a）與B的每一個(gè)水平Bi（i=1,2,3,…..b）都相碰一次，而且AiBi又有兩個(gè)以上的觀測(cè)值（例如14名被試的14個(gè)值），就叫做雙因素有重復(fù)測(cè)量的交叉分組。該方差分析即為重復(fù)測(cè)量的方差分析。如果AiBi僅有一個(gè)觀測(cè)值，即為無(wú)重復(fù)測(cè)量的方差分析。換句話說，若每個(gè)被試接受所有因素的每個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)（刺激），即被試內(nèi)設(shè)計(jì)，則其方差分析為重復(fù)測(cè)量的方差分析；若每個(gè)被試接只受一個(gè)因素的一個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)（刺激），即被試間設(shè)計(jì)，則其方差分析為無(wú)重復(fù)測(cè)量的方差分析。前者可最大限度地減少被試個(gè)體差異對(duì)因素間差異的影響，且節(jié)約被試，但需防止疲勞和順序效應(yīng)。ERP技術(shù)原理（二）同一成分波峰測(cè)量法找出最大峰之電極與潛伏期，以其潛伏期為準(zhǔn)測(cè)其他各電極位的波幅。（出版標(biāo)準(zhǔn)）（三）條件間ERP分布差異檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)歸一化產(chǎn)生ERP的腦內(nèi)源決定ERP的頭皮分布。如果在不同時(shí)間或不同實(shí)驗(yàn)條件下，腦內(nèi)源相同，那么其ERP的頭皮分布也是相同的。反之，如果不同實(shí)驗(yàn)條件下或同一實(shí)驗(yàn)條件的不同時(shí)間，ERP的頭皮分布不同，則其腦內(nèi)源一定是不同的。因此，確定不同實(shí)驗(yàn)條件或不同時(shí)間ERP的頭皮分布是否相同及其差異部位，是通過ERP研究腦機(jī)制的重要內(nèi)容。地形圖是表達(dá)ERP的頭皮分布的形象而直觀的方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)ANOVA得出的條件（或時(shí)間）與電極間的交互作用顯著性是確定不同實(shí)驗(yàn)條件或不同時(shí)間ERP的頭皮分布是否相同的必要方法。ERP技術(shù)原理

電極點(diǎn)波幅在不同條件下的絕對(duì)差異會(huì)嚴(yán)重影響交互作用的顯著性。例如，兩種條件下三個(gè)電極的波幅值分別為（1，2，1）與（2，4，2），ERP的頭皮分布或地形圖形狀是相同的。但ANOVA卻得出了交互作用顯著的錯(cuò)誤結(jié)論。這是由于ANOVA賴以判斷差異的依據(jù)是同電極間的絕對(duì)差異是否相同（此例差異為1，2，1，不同），而判斷ERP的頭皮分布或地形圖形狀差異應(yīng)依據(jù)電極間的相對(duì)差異（比值）是否相同（此例為2，2，2，相同）。為此，必須在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)之前先去除條件間波幅的絕對(duì)差異，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化（scaling）。主要?dú)w一化方法有兩種，皆為McCarthy&Wood（1985）所提出。1、正?；╪ormalization）。即找出平均后每種條件下某波各電極點(diǎn)的最大值和最小值，每個(gè)數(shù)據(jù)都減去最小值，所得差值除以最大值和最小值的差值。公式如下：

原始數(shù)值－最小值最大波幅值－最小波幅值這樣，全部數(shù)據(jù)都變成了0至1之間的值。此例兩種條件下三個(gè)電極的波幅值都變成了0，1，0，ANOVA自會(huì)得出無(wú)交互作用的正確結(jié)論。然而，這種方法也有一定的問題，即有時(shí)會(huì)掩蓋不同條件下頭皮分布之間的真正區(qū)別（Haig,Gordon,&Hook,1997）。ERP技術(shù)原理2、矢量轉(zhuǎn)換法（Vectorscaling）?！俺霭鏄?biāo)準(zhǔn)”（2000）和McCarthy&Wood（1985）皆認(rèn)為它是比正?；鼮榭煽康姆椒?，因?yàn)樗紤]了全部數(shù)據(jù)，而正?；豢紤]最大值和最小值。這種方法的算法是，首先做全部被試的總平均，將其某波各電極點(diǎn)之值平方，然后求出其每種條件下全部記錄點(diǎn)均值的方根（root-mean-square，RMS），這樣，每種條件皆得一個(gè)RMS。每個(gè)數(shù)據(jù)除以其RMS即得到矢量轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。上例若兩種條件下三個(gè)電極的的總平均值分別這里ERP的“總平均值”就是統(tǒng)計(jì)中所使用平均值。以除第一個(gè)條件的平均值（1，2，1），以除第二個(gè)條件的平均值（2，4，2），則轉(zhuǎn)換后三點(diǎn)的值都變成了0.70，1.41，0.70，ANOVA自會(huì)得出無(wú)交互作用的正確結(jié)論。

目前尚未證實(shí)以被試自己的RMS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的可應(yīng)用性，故必須使用上述被試總平均的RMS轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。為（1,2,1）與（2,4,2），則RMS分別為和ERP技術(shù)原理

需要注意的是，ERP是以疊加平均后的數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的，且疊加前的各次數(shù)據(jù)信噪比不夠，不得用以進(jìn)行歸一化。其次，經(jīng)過上述歸一化的數(shù)據(jù)只能用于評(píng)估ERP分布（即地形圖形狀）和實(shí)驗(yàn)條件之間交互作用的可靠性，其它情況下不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。在報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，只需說明交互作用是經(jīng)過某某歸一化的數(shù)據(jù)驗(yàn)證的即可。歸一化后的數(shù)據(jù)不能當(dāng)作ERP分布的數(shù)據(jù)去使用。由于原始數(shù)據(jù)的最大差異點(diǎn)的數(shù)值在歸一化后的數(shù)據(jù)中可能會(huì)減小，因此，對(duì)ERP分布或地形圖形狀的差異進(jìn)行解釋時(shí)應(yīng)同時(shí)顧及歸一化和未歸一化的數(shù)據(jù)。ERP技術(shù)原理（四）以反應(yīng)為原點(diǎn)疊加一般ERP研究是為了觀察ERP與心理因素的相關(guān)性，擬研究的心理因素發(fā)生的時(shí)間與刺激的出現(xiàn)相關(guān)，故以刺激呈現(xiàn)為原點(diǎn)疊加?？墒窃谟行?shí)驗(yàn)中刺激呈現(xiàn)與擬研究的心理因素發(fā)生的時(shí)間相關(guān)性差，尚不如與反應(yīng)的相關(guān)性。例如一條條呈現(xiàn)謎語(yǔ)令被試猜，猜出來(lái)即按一下電鍵，研究猜出謎語(yǔ)時(shí)的腦機(jī)制。此時(shí)被試猜出各條謎語(yǔ)所需要的時(shí)間是不同的，各次猜出謎語(yǔ)時(shí)的ERP與刺激呈現(xiàn)的時(shí)間間隔差別很大，已不具備潛伏期恒定的疊加條件，故不能以刺激的出現(xiàn)為原點(diǎn)疊加。各次猜出謎語(yǔ)與按鍵反應(yīng)的時(shí)間間隔盡管有差異，但相對(duì)差別明顯小于與刺激呈現(xiàn)的時(shí)間間隔差異，故可以反應(yīng)為原點(diǎn)疊加，主要觀察其前之ERP。其基線取法：依據(jù)基線原理，（1）刺激前的一段時(shí)間；（2）反應(yīng)500ms后的一段時(shí)間（NeuroScan無(wú)自動(dòng)取刺激前一段時(shí)間的功能）。ERP技術(shù)原理參考文獻(xiàn)：T.W.Picton,S.Bentin,P.Berg,etal.（2000）.Guidelinesforusinghumanevent-relatedpotentialstostudycognition:Recordingstandardsandpublicationcriteria.Psychophysiology,(37),127–152.McCarthy,G.,&Wood,C.C.（1985）.Scalpdistributionsofevent-relatedpotentials:Anambiguityassociatedwithanalysisofvariancemodels.ElectroencephalographyandClinicalNeurophysiology,62,203–208.JosephDienandAleciaM.Santuzzi.（2005）.ApplicationofrepeatedmeasuresANOVAtohghi-densityERPdataset:areviewandtutorial.InToddC.Handy(Ed.),Event-RelatedPotentials,AmethodHandbook.MITPress,Cambridge.57-82.StevenJLuck.（2005）.AnIntroductiontoTheEvent-RelatedPotentialTechnique.MITPress,Cambridge.225-266.ERP技術(shù)原理七、ERP的優(yōu)勢(shì)（一）無(wú)創(chuàng)性、時(shí)間分辨率高—便于與RT配合進(jìn)行認(rèn)知過程研究、空間分辨率128導(dǎo)約為3mm，達(dá)到了現(xiàn)代水平。是心理學(xué)工作者進(jìn)行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的最得力的方法。（二）認(rèn)知可分為認(rèn)知過程和認(rèn)知狀態(tài)，過程指的就是時(shí)間過程。（三）設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境的要求不高。ERP技術(shù)原理Gazzaniga在2000年版“CognitiveNeuroscience”（多作者）關(guān)于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究方法的介紹中寫道：“StevenHillyarddescribedoneoftheoldesttechniquesforstudyingthebrain,therecordingofelectric(andnowmagnetic)fieldsfromscalp.Thoughnotcapableofproducingthegrippinglydetailedimageofactivitythatothertechniquescanprovide,fieldrecordingarefarbetteratresolvingeventsintime.Shortofsurgicalintervention,theyhavenocompetitorsformonitoringthetimecourseofneuralactivity,andthusremainamainstayof,forexample,neurolinguistics.Hillyardpresentsresultsofinvestigationsinavarietyofareas,foreshadowingmoredetaileddiscussionsinsomeofthefollowingchapters.”

強(qiáng)調(diào)了ERP與ERF，突出了實(shí)時(shí)性。ERP技術(shù)原理八、妨礙ERP提高空間分辨率的原因（一）顱骨不勻且有個(gè)體差異（二）容積導(dǎo)體效應(yīng)（三）電場(chǎng)封閉（四）ERP主要來(lái)自皮質(zhì)第3、5層，不全面，不正確ERP技術(shù)原理九、ERP方法與其他腦高級(jí)功能成像方法的比較ERP技術(shù)原理人腦在進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)，其磁場(chǎng)變化是伴隨其電場(chǎng)變化同時(shí)產(chǎn)生的，從電場(chǎng)變化中檢測(cè)出的電信號(hào)是腦電，從磁場(chǎng)變化中檢測(cè)出的磁信號(hào)是腦磁，記錄儀器為腦磁儀（magnetoencephalograph），記錄的腦磁信號(hào)稱為腦磁圖（magnetoencephalogram,MEG）。腦磁場(chǎng)是很微弱的，數(shù)量級(jí)為10～1000fT（1fT=10-15T，是地球磁場(chǎng)的10-8～10-9,即1億～10億分之一，只有用高靈敏度的超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)才能探測(cè)到。這項(xiàng)工作，首次由S.J.Williamson等人于1981年完成。

l

磁場(chǎng)的計(jì)量

磁通量單位：wb(韋伯)。1fwb=10-15wb。

磁場(chǎng)強(qiáng)度單位：T（Tesla，特斯拉）。1T=1wb/m2。

G（Gause，高斯）。1G=10-4T

。已少用。（一）腦磁Magnetoencephalography,MEGERP技術(shù)原理

腦磁儀是探測(cè)核潛艇技術(shù)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)上的移植，西方曾控制向中國(guó)出口。價(jià)格昂貴，亞洲僅我國(guó)和日本有此儀器。歐美和日本已在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。ERP技術(shù)原理ERP技術(shù)原理1、超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)的構(gòu)成

超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)由磁通變換器、超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）和電子線路組成。磁通變換器把探測(cè)到的磁通信號(hào)，耦合到SQUID上，由SQUID輸出電信號(hào)，經(jīng)電子線路放大、顯示，從而使磁信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)。

磁通變換器和電子線路也起到抑制噪音作用。磁通變換器和SQUID都由超導(dǎo)材料制造。1911年，荷蘭物理學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)，水銀在低于4.2K時(shí)，電阻突然變?yōu)榱?，他把這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，處于超導(dǎo)現(xiàn)象中的導(dǎo)體(電阻為零)稱為超導(dǎo)體。大多數(shù)SQUID用純鈮（niobium）制成。放在杜瓦瓶?jī)?nèi)。杜瓦瓶?jī)?nèi)裝液態(tài)氦，揮發(fā)降溫至近-273C0。2、高臨界溫度SQUID

杜瓦瓶?jī)?nèi)液氦較貴。高臨界溫度材料可減輕降溫條件的成本，是當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。ERP技術(shù)原理3、MEG實(shí)驗(yàn)

圖為少導(dǎo)測(cè)量與多導(dǎo)測(cè)量示意

（1）磁噪聲與屏蔽室

通常的MEG測(cè)量如圖所示，由于腦磁場(chǎng)與周圍環(huán)境存在的磁場(chǎng)相比是極其微弱的，所以排除外部磁場(chǎng)干擾非常重要，顯著的磁噪聲主要由地磁波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的汽車、電梯、收音機(jī)、電視、微波中繼站等引起。減少這些磁噪聲干擾的最直接有效的方法是使MEG測(cè)量在磁屏蔽室內(nèi)完成。如鐵磁質(zhì)屏蔽。目前采用的動(dòng)態(tài)屏蔽室，包括外來(lái)磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)和產(chǎn)生與外來(lái)磁信號(hào)相反磁場(chǎng)的線圈，很貴，約150-250萬(wàn)$。ERP技術(shù)原理（2）多導(dǎo)記錄與定位

磁場(chǎng)強(qiáng)度不像電場(chǎng)強(qiáng)度那樣受顱骨薄厚不均與容積導(dǎo)體的影響。但磁強(qiáng)計(jì)相對(duì)于頭的位置精度影響大腦皮層中源的定位計(jì)算。在多通道儀器中，由于各通道相對(duì)位置預(yù)先確定，這種問題可以在一定程度上得到解決，杜瓦瓶的位置和方向必須根據(jù)頭上至少三個(gè)固定點(diǎn)來(lái)確定。用于確定頭顱形狀一致的固定點(diǎn)主要有兩側(cè)耳道、眉心(兩眼之間鼻骨的最深點(diǎn))、枕骨粗隆和前齒。目前已經(jīng)制造和使用了306導(dǎo)MEG。

ERP技術(shù)原理MEGERP技術(shù)原理4、事件相關(guān)腦磁場(chǎng)ERF

ERF(event-relatedfields)是事件相關(guān)腦磁場(chǎng)的英文縮寫，檢測(cè)ERF和檢測(cè)ERP很相似，將前面討論的檢測(cè)MEG的裝置，配上刺激裝置和計(jì)算機(jī)，即可將對(duì)應(yīng)于一定刺激事件的頭皮上產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化檢測(cè)出來(lái)，刺激（事件）重復(fù)N次，經(jīng)N次疊加，信噪比即可提高N倍。ERF也可按刺激感覺通路分為聽覺ERF，視覺ERF，體感ERF等。

ERF波形的表示，與ERP一樣用P表示正波、N表示負(fù)波，其隨后的數(shù)字表示潛伏期，為和ERP區(qū)別，在潛伏期后加上m表示磁信號(hào)。例如，刺激后100ms處出現(xiàn)的負(fù)波表示為N100m；刺激后19ms出現(xiàn)的正波則表示為P19m。

ERP技術(shù)原理5、腦磁圖的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）與ERP比較：除了ERP的優(yōu)點(diǎn)無(wú)創(chuàng)性、時(shí)間分辨率高（其時(shí)間分辨率小于1毫秒）外，腦磁場(chǎng)的源定位不受容積導(dǎo)體與顱骨薄厚不勻、個(gè)體差異大的制約，空間分辨率小于2毫米，好于ERP，即比腦電的腦內(nèi)源定位要精確，為復(fù)雜心理活動(dòng)的腦定位提供了更有效的方法。測(cè)量線圈不與頭皮接觸，避免了逐個(gè)電極注射導(dǎo)電膏之煩，測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)間短。

（2）與fMRI比較：不需要專門的操作人員，日常耗費(fèi)低。

6、腦磁圖的主要缺點(diǎn)：

（1）雖然MEG不受容積導(dǎo)體與顱骨薄厚不勻、個(gè)體差異大的制約，空間分辨率高于ERP，但MEG也同ERP一樣是通過偶極子解逆問題定位的，不同神經(jīng)源構(gòu)成的偶極子可以產(chǎn)生同樣的頭皮電磁場(chǎng)分布，在這個(gè)根本問題制約下，其空間定位也具有一定的不確定性。

（2）如前所述，MEG只能檢測(cè)腦溝神經(jīng)元的磁場(chǎng)信號(hào)，而ERP源于電流，無(wú)此局限。

（3）價(jià)格較貴，現(xiàn)約350~400萬(wàn)$。

（4）通常不能記錄VEOG，所以不能用經(jīng)典方法排除眨眼偽跡。ERP技術(shù)原理7、腦磁圖的應(yīng)用：

（1）認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。除了ERP的無(wú)創(chuàng)性、時(shí)間分辨率高（其時(shí)間分辨率小于1毫秒）等優(yōu)點(diǎn)外，腦磁場(chǎng)的源定位不受容積導(dǎo)體與顱骨薄厚不勻、個(gè)體差異大的制約，空間分辨率小于0.5～1毫米，好于ERP，即比腦電場(chǎng)的腦內(nèi)源定位要精確，是復(fù)雜心理活動(dòng)的腦定位有效的方法，已廣泛應(yīng)用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。（2）癲癇、腦腫瘤、腦血管畸形、帕金森氏等病的術(shù)前定位。

我國(guó)癲癇患者約800萬(wàn)。為癲癇定位是腦磁圖最成熟的技術(shù)。癲癇病人外科手術(shù)成功的關(guān)鍵是解決兩個(gè)問題，一是給癲癇灶精確定位，從而準(zhǔn)確切除病灶；二是給病灶周圍的重要功能區(qū)如感覺、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、記憶等區(qū)精確定位，從而避免和減少這些功能區(qū)的組織損傷。MEG是目前能同時(shí)解決這兩個(gè)問題的最精確的方法，定位誤差不超過1毫米。它還能將捕獲的腦功能信號(hào)重合在CT或核磁共振圖上，形成清晰直觀的定位影像圖，分辨出原發(fā)病灶和繼發(fā)病灶，提高了手術(shù)治療的成功率。

以前一貫認(rèn)為，只有藥物無(wú)法控制的癲癇才考慮手術(shù)治療，而現(xiàn)在則逐漸認(rèn)為，只要確診為癲癇且致癇灶定位準(zhǔn)確就應(yīng)盡快手術(shù)治療，以避免藥物持久性的不良反應(yīng)和因癲癇反復(fù)發(fā)作帶來(lái)的傷害。

MEG還能對(duì)腦腫瘤、腦血管畸形、帕金森氏病等進(jìn)行術(shù)前功能區(qū)定位，從而最大限度地避免重要組織和功能的損傷，使這些手術(shù)變得更加安全。ERP技術(shù)原理7、腦磁圖的應(yīng)用：

（3）腦功能損傷的準(zhǔn)確評(píng)估定位。對(duì)腦外傷、腦血管意外造成的腦功能損傷，腦磁圖可以進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和定位，從而提高視神經(jīng)、聽神經(jīng)、三叉神經(jīng)損傷的治療效果。

（4）小兒早期評(píng)估。在小兒科，可用于產(chǎn)傷小兒、小兒腦發(fā)育不全、小兒腦癱的評(píng)估及其所導(dǎo)致的小兒聾、啞、盲、智力低下、精神障礙程度的早期評(píng)估研究。

（5）精神病研究?？捎糜谘芯烤癫〉目陀^檢查，分析精神分裂癥、抑郁癥等的中樞病理改變，為針對(duì)性治療提供依據(jù)。

（6）其他。在日本等國(guó)，腦磁圖還被用于針刺麻醉和鎮(zhèn)痛機(jī)理的研究。8、我國(guó)已購(gòu)：（ERP256導(dǎo)約35萬(wàn)$）

廣州廣東三九腦科醫(yī)院，約350萬(wàn)$。2001年1月安裝完畢。

石家莊省立醫(yī)院，306導(dǎo)（實(shí)102導(dǎo)），約400萬(wàn)$。

北京天壇醫(yī)院，151導(dǎo)，2003-11。南京腦科醫(yī)院，275導(dǎo)，2006-2。重慶西南醫(yī)院，151導(dǎo)，2006-4。ERP技術(shù)原理（二）正電子發(fā)射斷層掃描PositronEmissionTomography,PETPET的依據(jù)是一些放射性同位素標(biāo)記的分子（如含18F的脫氧葡萄糖FDG）能正常地參加腦細(xì)胞的新陳代謝。這些同位素發(fā)射正電子，正電子不穩(wěn)定，易與負(fù)電子撞擊而湮滅，湮滅所生能量以兩束反向γ-射線方式釋放。測(cè)量這兩束γ-射線的量，即可知該標(biāo)記同位素分子的含量，從而作為該部位功能活動(dòng)是否增強(qiáng)的標(biāo)記。-射線：氦原子核流（，上標(biāo)原子量，下標(biāo)電荷）。-射線：高速運(yùn)動(dòng)的電子流。

γ-射線：光子流，波長(zhǎng)極短的電磁波，無(wú)極性，可分解為正電子和負(fù)電子。優(yōu)點(diǎn)：可觀察動(dòng)態(tài)過程缺點(diǎn)：1）需制造放射性同位素的回旋加速器，價(jià)格昂貴。2）測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)；只是測(cè)量N的代謝產(chǎn)物，時(shí)間分辨率低。3）注射放射性同位素。ERP技術(shù)原理PETERP技術(shù)原理（1）結(jié)構(gòu)像（MRI）強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體組織的原子依磁性而順序排列。當(dāng)射頻電磁波照射頭部時(shí)，會(huì)激發(fā)頭組織的原子發(fā)射它們自己的射頻電磁波，這就是磁共振信號(hào)。它可被三維梯度磁場(chǎng)檢測(cè)出來(lái)并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理并編輯這種信息重建為腦的三維圖像。（三）功能性磁共振

FunctionalMagneticResonanceImaging,fMRIERP技術(shù)原理ERP技術(shù)原理ERP技術(shù)原理磁場(chǎng)能使處于其中的物質(zhì)磁化，后者形成附加磁場(chǎng)，對(duì)原磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。有的物質(zhì)形成的附加磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相同，稱順磁質(zhì)，如脫氧血紅蛋白。有的物質(zhì)形成的附加磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反，稱抗磁質(zhì)，如氧合血紅蛋白。fMRI的依據(jù)是磁共振（MR）信號(hào)的血氧水平依賴性（bloodoxygenation-leveldependent,BOLD）。腦活動(dòng)時(shí)代謝旺盛，局部腦血流增加、氧合血紅蛋白增加過剩，超過了代謝消耗氧的需要，結(jié)果靜脈中氧合血紅蛋白比例增加，脫氧血紅蛋白比例減少。前者具有抗磁性，后者具有順磁性，其比例變化會(huì)改變MR信號(hào)。fMRI測(cè)量的主要就是靜脈中二者比例變化產(chǎn)生的MR信號(hào)變化。（2）功能像（fMRI）ERP技術(shù)原理fMRIERP技術(shù)原理上圖：右手指運(yùn)動(dòng)。下圖：棋盤格閃爍視覺刺激。ERP技術(shù)原理fMRI的優(yōu)點(diǎn)：1)不需要注射同位素（比PET）；2)檢測(cè)時(shí)間短（比PET）；3)分辨率高：數(shù)量級(jí)1.5x1.