基于EEG-TDCS的同步系统搭建方案
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1. 引言
1.1 编写目的
本文档主要用于EEG-tES同步系统的搭建和功能性说明，以便为后续的实验设计打下坚实的基础。
本文档的预期读者是与EEG-tES同步系统开发有关的决策人，项目承担者，技术开发人员，辅助开发者，软件验证者。
1.2 背景
人体活动细胞或组织不论在静止状态还是活动状态，都会产生与生命状态密切相关的、有规律的电现象，称为生物电。通过高精度微弱生物电信号采集技术，可以采集到人体的各类电生理信号，包括脑电、肌电、心电等，并对得到的数据进行分析、存储。其中脑电是所有生物电信号中最为微弱，采集难度最高的信号，包含了大量脑神经细胞的电生理活动信息，可以体现人的思维活动和肢体动作等信息。科研领域所说的一般是指头皮脑电，是大脑皮层的电信号透过颅骨和头皮，弥散到头皮的电信号，因此信号强度微弱，且噪声干扰大。
“经颅直流电刺激”（Transcranial direct-current stimulation,tES）是一种非侵入性的，利用恒定、低强度直流电( 0-2 mA) 进行神经调节的技术，其通过电极将电流输送到特定的脑区，当这些电极放置在关注区域，电流诱发脑皮层电流流动，从而可以增加或降低神经元兴奋性的特定区域，以改变大脑运作。目前用于治疗中风，疼痛，帕金森，癫痫，阿兹海默，抑郁等疾病，而在健康被试者身上的试验已经表明其可用于提高执行特定任务时的认知能力，并可以提高语言、记忆、数学、逻辑、注意力、协调等各方面的能力。
结合EEG与tES的联合应用是脑成像的一种发展趋势。与经颅磁刺激相比，tES的刺激较弱，但容易引起皮质兴奋性的变化，且刺激后的效应比经颅磁刺激更持久，几乎不会引起不良反应；价格比经颅磁刺激低廉，简便便携，同时还可以设立伪刺激组进行对比研究。运用EEG与tES的结合，可以实时测量tES的刺激部位和刺激传导，了解刺激的效果，优化刺激大脑的位置、时间和方式，同时EEG还可提供tES诱导的神经信号变化的幅值，在康复医学和治疗神经系统损伤的领域有着很好的应用前景。
1.3 EEG-tES同步系统的应用领域
基于EEG和tES的同步系统主要包括以下应用：
1. 提高语言、记忆、数学、逻辑、注意力、协调等各方面的能力；
2. 治疗中风，疼痛，帕金森，癫痫，阿兹海默，抑郁，失语等神经疾病；
3. 量化研究（电极片大小、电流强度、治疗时间等）、机制研究（EEG/MRI等）。
2. 系统概述
脑电采集技术作为脑成像的的一种研究方法，具有时间分辨率高、信号直观且无创等特点，同时针对某些特殊疾病如癫痫等，可以通过脑电图直观的观测到发病的时间和异常信号。
tES与其他非侵入性的脑刺激技术不同，tES刺激并非通过阈上的刺激使神经元产生动作电位而发挥作用。目前普遍认为tES可能是通过网络的兴奋以及膜电位的去极化、影响突触间神经递质的释放而发挥作用。虽然已知的有一些宏观的治疗效果，但目前tES的内在机制依然不甚明了，属于尚处研发阶段的技术，其详细的机制和功能更适合在学术实验室被研究和证实。本系统将tES作为刺激手段，将EEG作为检测手段，主要介绍EEG-tES系统联用的同步方法和意义。
2.1. 基于EEG-tES的同步系统平台
脑电信号一般是指用表面电极记录的头皮脑电信号，该信号来源于大脑浅层的细胞外电流，靠容积传导，通过颅骨和头皮，最后被表面电极检测。脑电是所有生物电信号中最为微弱，采集难度最高的信号，包含了大量脑神经细胞的电生理活动信息，可以体现人的思维活动和肢体动作等信息。因此脑电采集设备需要满足以下要求：系统功能和技术参数达到一定标准；便于佩戴（最好可以实现便携式佩戴）；抗干扰能力强，以适应各类复杂特殊的实验环境；具备稳定高效的数据传输能力等。
tES的刺激方式包括3种，即阳极刺激、阴极刺激和伪刺激。阳极刺激通常能增强刺激部位神经元的兴奋性。而阴极刺激可以降低刺激部位神经元的兴奋性，使其达到一个稳定的级别，已有样板显示阴极刺激可以用来治疗大脑特定区域过度兴奋引起的心理障碍。伪刺激的重要性则在于其可以控制刺激，在进行伪刺激时，刺激器发出一个刺激电流，但是在剩余时间里刺激器不提供电流刺激（在伪刺激过程中，受试者不知道他们没有被电流持续刺激）。如此便提供了一个可控的条件，可以进行双盲实验从而排除受试者的主观感觉。如果没有伪刺激的功能，阳极和阴极刺激的效果就不具有足够的说服力。
将EEG和tES结合，既可以为tES提供一种检测手段，利用脑电图提供tES内在机制的一些有价值的信息，还可以为tES提供反馈信息，用以优化电刺激的参数。这些参数包括：
（1）刺激的位置：刺激点的定位准确与否严重影响着其作用效果；
（2）刺激的强度和时间：刺激的强度和时间直接影响刺激结束后皮质的兴奋性的改变时间。
图 1 tES原理图
2.2. EEG-tES测量康复系统的构建
EEG-tES测量康复系统平台包括脑电信号的采集与传输系统，经颅直流电刺激系统，智能同步中新系统三个部分，该系统构成了一个闭环的神经影像-非侵入式脑刺激系统。脑电可以为经颅直流电刺激提供刺激后的脑电信号，并通过读取脑电信号获得大脑刺激后的生理状态；同时脑电又可以将大脑的生理状态反馈给经颅直流电刺激系统，以便优化电刺激系统的刺激方式，包括刺激的时间、位置和强度。
该系统的一个关键问题是EEG与tES的同步。tES能够增强或减少皮质兴奋性，刺激神经集群。但是，tES如果单独使用，只能作为一个黑箱方法：没有同步的成像作为反馈，我们只能观测到宏观的刺激效果，而无法理解其内在机制。本系统的脑电信号与直流电刺激信号的同步精度在1ms，以保证脑电系统能够直观的检测到电刺激后运动诱发电位的变化，从而确定电刺激的后效应，进而研究其内在机制。
图 2 EEG和tES集成的同步系统（灰色为tES，黑色为EEG放大器）
3.1. 便携式脑电采集系统
我们通过直流耦合式模拟前端对脑电放大器进行了小型化设计，并减少了模拟滤波和放大环节，实现了脑电放大器的小型化，增加了电磁屏蔽的功能，方便脑电设备和tES设备的联用。便携式脑电采集放大器在静息状态和非屏蔽室环境下表现出了良好的共放大、信噪比特性和稳定性，在抗干扰方面和硬件设计方面，与电路性能相对占优势的台式脑电采集设备相比，本项目研发的便携式脑电放大器更适合与tES系统联用。
该脑电采集系统的参数如下：
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64导 |
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最高采样率 |
16kHz |
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共模抑制比 |
≥120dB |
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模数转换精度 |
24bit |
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系统噪声 |
＜0.4µVrms |
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输入信号范围 |
±375mVpp |
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事件同步输入 |
同步，时间精度＜1ms |
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体积 |
85*55*22mm |
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重量 |
84g |
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供电方式 |
内部锂电池 |
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供电时长 |
单块电池达到4小时，可通过多块备用电池增加连续工作时间 |
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图 3 64通道脑电采集系统
该放大器具有以下特点：
(1) 便携可穿戴系统设计：该放大器为便携式设备，采用64通道的无线同步数据采集，可实现自然环境下实现的自由移动；配置有九轴运动传感器，可去除被试在移动过程中信号的干扰。
(2) 高质量脑电信号采集：设备具有低输入噪声和高采样率，动态范围广，电磁屏蔽性好，可实现在复杂环境下的数据采集。
(3) 精准事件同步：可实现多设备间数据高精度同步，以及刺激设备和采集设备高精度同步。
3.2.经颅直流电刺激设备
直流电刺激就是起神经调控的作用。 tES的刺激方式包括3种，即阳极刺激、阴极刺激和伪刺激。阳极刺激通常能增强刺激部位神经元的兴奋性。而阴极刺激可以降低刺激部位神经元的兴奋性，使其达到一个稳定的级别，已有样板显示阴极刺激可以用来治疗大脑特定区域过度兴奋引起的心理障碍。伪刺激可以进行双盲实验从而排除受试者的主观感觉，为tES的效果提供足够的说服力。本系统我们以博睿康的经颅直流电刺激系统为例。
图 4 经颅直流电刺激系统
3.3.脑电采集软件
脑电采集软件可实现无线放大器采集的脑电信号以及多参数同步器采集的同步信号的显示、分析、存储、离线回放等功能。软件可以进行离线阻抗测量，以及在信号采集过程中的实时阻抗监测。电生理信号的时频分析以及一系列特征参数可以通过软件的趋势图分析功能进行实时观测与分析。相关数据可以通过数据接口进行实时传输，供其他软件进行数据整合与分析。
图 5 脑电采集软件界面
3.4.智能同步中心
智能同步中心是无线数字脑电采集系统的重要组成部件，保证无线脑电放大器接收外界触发或与其他类型设备精确同步。在本方案中，智能同步中心可以保证无线脑电放大器和经颅直流电刺激设备的同步精度<1ms。
图 6 智能同步中心
3.5. 同步方案设计
EEG-tES同步系统平台主要包括以下组成部分：
图 7 EEG与tES的同步方法
脑电放大器和tES使用同一套软件，可以直接进行同步。我们打开脑电记录软件之后可以直接搜索到两个设备，如图8.只要勾选放大器和电刺激设备，就可以实现EEG和tES的同步。
图 8 设备搜索界面
3.6.系统框架设计
该系统主要实现EEG与tES的同步，框架如下：
图9 结合EEG-tES的同步系统框架图
脑电放大器佩戴在受试者的头部，实时采取受试者的脑电信号，直流电刺激设备可根据需要自由佩戴，二者同时通过无线传输；智能同步中心将两种数字信号进行同步，同步精度<1ms；电刺激设备工作时，将触发信号通过无线传输给脑电采集软件，在脑电采集软件中就能看见电刺激设备发送的标签及对应的时间点。
3.7. 关键技术和解决途径
无线脑电采集
生物电信号，尤其是脑电等微弱生物电信号，由于其幅值微弱，淹没在周围各类电磁干扰信号中，因此对信号采集前端的精度与抗噪声能力要求很高。尤其是结合其他刺激设备时，若放大器的屏蔽性不够好，就会引进其他设备的干扰噪声，无法获得高质量的信号。
为满足高精度弱信号采集的要求，系统采用低增益放大结合完全数字滤波的无损宽频直流耦合技术。较传统方案相比，该技术能够实现对宽频带信号的高精度采集，同时对放大器的电磁屏蔽性做了改进，保证了脑电数据采集的平稳。
系统同步
为实现EEG-tES同步系统达到预期效果，关键点在于二者的精确同步，我们开发了一种无线同步技术，通过智能同步中心将二者结合，可以实现整个系统小于1ms的同步精度。
3.8. 系统特点总结
本项目所采用的EEG-tES同步系统具有以下特点：
（1）本系统研发的无线脑电放大器具有便携可穿戴的特点，同时具有高信号质量和电磁屏蔽性好的特点，可以在自然环境下使用并且信号不受环境影响；
（3）本系统可以实现EEG和tES的精确同步，同步精度<1ms。
