掌握脑电图（EEG）设置：记录前最佳实践

什么是脑电图（EEG）设置？

EEG 设置是指用于记录头皮电活动的一整套设备和操作程序。该术语可以指用于诊断评估的临床配置、围绕研究方案设计的科研布局，或是用于常规实验室之外的便携式系统。无论哪种情况，电极都会检测电位，而采集系统则将其转化为可供查看的记录。

该设置还包括有关电极位置、参考电极、记录通道以及数据采集条件的决策。标准化放置有助于保持各次记录之间的一致性，而所选配置应体现检查或研究的目的。

EEG 应用于临床评估和神经科学等领域。它记录的是电活动模式，而不是直接描绘大脑结构，因此研究结果需要结合临床或研究背景进行解释。因此，有效的 EEG 设置既依赖于合适的设备，也依赖于严谨的记录操作规范。

EEG 设置的组成部分

一个 EEG 系统整合了传感器、信号处理以及记录数据的方法。这些组件协同工作形成一条链路：电极与头皮接触，放大器处理微弱的电信号，记录系统显示并存储生成的通道数据。佩戴和连接的细节会随设备和实验方案的不同而有所差异。

EEG 电极

EEG 电极检测特定头皮位置的电位。它们可以单独放置，也可以集成在脑电帽中，其位置由标准化布局或特定研究方案决定。接触质量至关重要，因为接触不良会导致记录不稳定或产生噪点；相关实用考量请参见此篇关于电极接触质量的概述。

此外，所选的电极类型和放置位置应符合记录需求，包括通道数量和分布。常见的设置考虑因素包括：

• 使用适用的放置系统确定所需的头皮位置。

• 根据电极和设备说明准备接触区域。

• 固定电极以减少记录过程中的移动。

• 在继续操作之前检查连接和信号质量。

这些检查有助于将设备或接触问题与记录中实际可能存在的脑电模式区分开来。

EEG 放大器

放大器接收电极检测到的微小电压差，并将其提供给记录和显示系统。其通道容量和兼容输入应与预期的电极排布相匹配。放大器是信号链路的一部分，因此可靠的连接和适当的系统配置与设备本身同样重要。

EEG 仪器设置与记录系统

记录系统与放大器相连，并呈现 EEG 通道以供观察、存储和后续查看。在数据采集之前，操作人员会根据方案配置记录参数，确认通道可用，并检查显示是否正常。具体的操作控件和工作流程取决于所使用的系统。

常见系统组件的作用可以进行如下概述，无需假定每个设置都使用完全相同的硬件或软件。

仅靠正常的显示界面并不能证明记录在技术上是完善的。进行通道检查、观察信号变化并记录配置文档，有助于使采集到的数据更易于审查和解释。

EEG 脑电帽或头带

EEG 脑电帽或头带可将电极保持在可重复的排布中，并在需要多个位点时简化放置过程。贴合度、电极间距以及与记录方案的兼容性，都会影响特定脑电帽在任务中的表现。佩戴脑电帽并不能免除对其电极位置和接触状况进行验证的必要性。

EEG 设置的类型

EEG 设置通常按记录地点和目的进行分类。这种区分很有用，但各类别之间可能存在重叠：一项科研研究可能会使用临床设备，而便携式系统也可能用于临床或科研目的。每种配置都必须确保记录清晰并具备相应的文档记录。

临床 EEG 设置

临床 EEG 设置是为服务于医疗评估的记录而配置的。电极方案、记录时长以及检查期间的任何操作均由临床问题和当地规范决定。生成的 EEG 由具备资质的专业人员结合具体情况进行审查；记录本身并非独立的诊断。

科研 EEG 设置

科研 EEG 设置遵循研究设计，包括其所需的电极位置、记录条件和数据管理计划。在各受试者和各次测试之间保持一致的流程有助于进行对比，而元数据则有助于记录可能影响结果解释的差异。研究方案还涉及知情同意、隐私保护以及记录数据的处理。

便携式 EEG 设置

便携式 EEG 设置旨在用于离开固定实验室或检查室的环境。便携性使得在更广泛的环境中进行记录成为可能，尽管移动、电干扰和记录条件的变化可能会带来实际挑战。系统和方案必须充分考虑数据采集的具体环境。

为什么受试者行前说明对可靠的 EEG 数据至关重要

行前说明和方案标准化旨在减少因不可预测的行为而产生的操作偏差。

了解任务说明以及尽量减少面部肌肉紧张、吞咽和眨眼重要性的受试者，将产生更少的高幅肌电伪影，这些伪影可能会干扰后期的信号分析。在皮肤准备步骤中取得受试者同意的过程也建立了一种合作关系，从而避免在清洁头皮时发生意外动作。

一篇关于EEG 研究管理的大型综述强调，制定正式的书面方案、培训团队以及开展预实验对于确保跨多个记录阶段和实验地点的统一执行至关重要。该综述借鉴了大规模多中心实验的经验，明确将数据采集前的规划与最终数据集的有效性联系起来。缺乏这种基础性的标准化，即使是最先进的 EEG headset 也无法弥补因受试者状态不一致而引入的噪点。

综述中的 4 项建议：

1. 建立正式的书面方案并开展团队培训，以确保多测试阶段的一致性

2. 运行预实验以在正式数据采集前发现设置问题

3. 规范受试者在身体动作、咬紧下巴和眨眼方面的指导说明

4. 将行为标准化视为关键的源头噪点控制手段

为什么准备时间会直接影响 EEG 记录保真度

一旦完成了向受试者的说明，工作流程就会转移到生物接口上。必须对头皮进行准备，以在皮肤和记录电极之间建立低阻抗、稳定的连接。

典型的准备工作包括使用酒精溶液清洁头皮，对于湿电极系统，还需要轻微磨砂皮肤以去除死皮细胞和油脂。这一步通常非常耗时，人们自然希望能加快这一过程，特别是在临床或面向消费者的场景中。然而，一项比较使用干电极和湿电极的快速设置系统的 2024 年 BCI 研究对这种权衡进行了直接评估。

在该研究中，干电极系统的平均设置时间为 38.4 秒，而湿电极流程耗时 103.4 秒。以稳态视觉诱发电位（SSVEP）范式中的信息传输率衡量的信号质量存在显着差异：湿电极设置达到了每分钟 138.89 比特，而干电极设置仅为每分钟 70.59 比特。

尽管这两种配置都实现了可用的 BCI 性能，但更快速的干电极设置引入了更高的噪底。准备时间与记录保真度之间的直接关联是非常明确的：更慢、更彻底的生物接口准备能够带来更纯净的信号。

这种“时间-质量”曲线的确切形态取决于具体情境，不能一概而论地推广到所有电极类型和头皮条件下，但 BCI 数据提供了最明确的证据，表明头皮准备上的投入并非可有可无，它直接决定了原始数据的质量。快速的 EEG 仪器设置可能会作为一种便利特性进行营销，但除非有替代的电极技术能够弥补这一差距，否则它必然会在生物接口层面做出妥协。

缓解 EEG 实验室环境噪点的最佳实践

在准备好受试者之后，下一步就是控制物理记录环境。如果记录空间安排不当，电噪点（特别是来自主电源的 50 或 60 Hz 工频干扰）很容易渗入高增益放大器中。

因此，标准工作流程包括将受试者安置在远离未屏蔽电源的位置，关闭非必需的电气设备，并在可能的情况下使用接地的屏蔽室。环境温度和照明也很重要，因为波动可能会引起出汗伪影或光刺激，从而改变正在进行的脑节律。

上述 EEG 研究管理综述明确建议在预实验阶段规划物理环境和设备设置。通过提前测试记录条件，团队可以在正式数据采集开始前发现并消除外部干扰源。

虽然该综述没有提供屏蔽效果的定量基准（例如法拉第笼降低的分贝数），但其操作原则是一致的：标准化的环境可以减少本会被误认为是神经活动的外部偏差。对于全屏蔽室通常不切实际的便携式 EEG 应用，同样的原则以不同的形式适用：操作人员必须在记录前清单中系统地记录并在可能的情况下消除附近的噪点源。

所提供研究中缺乏直接的定量证据意味着具体的屏蔽要求仍然是根据工程共识推断出来的，而不是在 EEG 文献中经过实证验证的，但环境控制的逻辑必要性是毋庸置疑的。

在 EEG 设置期间选择参考策略

在记录前工作流程中，一个较不显眼但同样重要的决策是参考导联方式的选择。EEG 中的每一次电压测量都是两点之间的差值，参考电极定义了所有其他通道视为什么为“零”。

将参考电极放置在何处以及如何在数学上对数据进行重新参考的决定通常会被推迟到分析阶段，但是物理导联排布和概念上的参考策略是设置阶段的选择，它们从根本上决定了记录信号的空间拓扑结构。

一项预处理流程比较研究评估了几种常见的重参考方法：平均参考（CAR）、稳健 CAR（rCAR）、参考电极标准化技术（REST）及其插值变体（RESIT）。分析表明，尽管 CAR、REST 和 RESIT 产生了相似的拓扑分布，但 rCAR 方法产生了显着不同的事件相关谱扰动（ERSP）模式。信号分段也显著影响了数据清洗的结果。

这些发现证实，参考方案的选择是一个依赖于参数的方法学步骤，它从采集的那一刻起就对数据产生了偏差影响。因此，在设置过程中，必须确定并记录参考电极的位置（通常在耳垂或乳突上）以及计划的重参考逻辑。

随意或未经深思熟虑的参考选择可能会在后续产生误导性的皮层脑图，因此这是 EEG 脑电帽和系统配置中一个实质性的、而非微不足道的环节。

如何在 EEG 基线校准期间筛查伪影

在安置好受试者、准备好头皮、屏蔽好环境并选择好参考电极之后，记录前的最后一关是基线校准阶段。这通常包括一小段静息态片段，通常是睁眼或闭眼，在此期间实验人员验证放大器是否稳定，电极与皮肤的接口是否均衡，以及信号是否没有明显的伪影，例如过度的直流漂移、高频肌电噪点或慢速眼电位。

校准阶段就像是一次诊断快照：松动的电极会显示基线漂移，磨砂不足的部位会显示阻抗升高和工频干扰，而紧张的受试者会产生持续的肌电活动。

EEG 研究管理综述强调了持续监测数据质量以及利用预实验尽早发现与设置相关的问题的重要性。同时，预处理流程比较研究发现，将连续信号分段为时间段的方式会显著影响后续的数据清洗步骤。

这对基线校准具有直接影响，因为操作人员必须决定什么构成可接受的“纯净”静息段，而该决定将影响分析后期应用的伪影剔除阈值。对于消费级家用 EEG 设备，自动阻抗检查和内置伪影指示器在一定程度上规范了这种校准，但基本逻辑是相同的：在数据采集前深思熟虑地暂停以筛查原始信号，可防止存储最终在预处理期间被剔除的数据片段。

快速 EEG 设置对数据严谨性的影响

记录前的 EEG 工作流程是一系列相互依赖的步骤，每个步骤都代表一个决策点，在这些节点上可以通过牺牲信号质量来节省时间。

BCI 快速设置研究为这种权衡提供了最直接的说明。干电极应用仅花费了 38.4 秒，不到湿电极设置所需时间的三分之一，但生成的信号质量明显较低。在该特定的 BCI 背景下，任务性能仍然足够，但噪底升高是缩短生物接口准备过程的必然结果。跳过或缩短头皮清洁、环境检查或基线筛查并不一定会使记录完全无法使用，但这无一例外会减少后续分析可用的纯净信号带宽。

需要承认的是，关于许多这些独立工作流程步骤的直接证据仍然有限。研究管理综述支持方案标准化、环境规划和预实验筛查的价值，但它并没有分离出例如特定的行前说明脚本或特定的屏蔽距离对最终信噪比的因果贡献。

导联选择研究表明，重参考的选择会影响结果，但它评估的是采集后的处理，而不是物理设置阶段的原始数据质量。BCI 研究提供了具体的耗时与质量对比，但其对其他电极系统和记录环境的普适性尚未得到证实。

因此，这里概述的建议最好被理解为系统化操作的框架，源自现有的最佳证据和领域共识，而不是经过经验证明的通用法则。核心信息是，仔细的记录前校准是获得纯净、可解释的神经信号的唯一最关键因素，而在设置阶段采取的每一个捷径都是以直接牺牲最终数据集的保真度为代价的。

Emotiv 各系统之间的 EEG 设置差异

记录前的工作流程适用于每一种 EEG 系统，但每个步骤需要多长时间，以及其风险所在，在很大程度上取决于传感器接口。Emotiv 的无线 EEG 系统旨在将科研级记录带出固定的实验室，进入教室和移动野外研究。由于该系列涵盖了导电膏（gel）、盐水（saline）、半干式（semi-dry）和干式（dry）传感器，研究团队可以在上述准备时间和信号质量之间自由权衡，而不是围绕单一设置来构建每项方案。

缩小干电极的差距

上文讨论的 BCI 研究发现，快速的干电极设置伴随着更高的噪底，这一权衡在没有替代电极技术弥补差距之前始终存在。EPOC X PRO 在传感器本身解决了这个问题。每个传感器都配有自己的有源放大器，从而减少了线缆晃动和电极阻抗带来的干扰，且信号以 24 位分辨率进行采集。

充裕的动态余量使得低频漂移、电极偏置和突发移动伪影得以被完整捕获而不会发生削波失真，从而在预处理过程中剔除更少的试次。Emotiv 设计这一组合，旨在让干式传感器能够提供与湿式传感器相媲美的信号质量。

传感器的几何形状也至关重要。扁平传感器贴合在额头和乳突参考位点的裸露皮肤上，而提供两种长度的梳状传感器则可穿过发丝接触头皮。任何传感器类型均可插入任何插孔，因此研究人员可以根据每个位点匹配相应的传感器，而无需在整个头皮上使用单一几何形状进行妥协。而且由于干式传感器不依赖盐水，测试时长不会受到衬垫保持湿润时间的限制，这对于长时间的工作负荷研究和包含多名受试者的实验方案尤为重要。

这一切都不能替代基线检查。对于给定的研究方案和受试者群体，简短的静息片段仍然是确认信号质量的有效途径。

将工作流程带出实验室

在屏蔽室之外，记录前工作流程的每个步骤仍然适用；发生改变的只是其执行方式。

环境：Emotiv 系统均为无线设计，因此没有放大器线缆将受试者束缚在工作站上。Epoc X 和 Flex 2 使用共模抑制噪点技术，EPOC X PRO 则增加了 Wi-Fi 6，可以在真实研究环境中常见的拥挤 2.4 GHz 频段下保持更好的表现。

Epoc X、Insight、Flex 2 和 EPOC X PRO 中的 9 轴运动传感器会在记录 EEG 的同时记录头部动作，因此测试过程中的移动会被如实记录，而不是凭空猜测。EPOC X PRO 还可以在没有连接电脑的情况下以 256 Hz 的采样率在板载存储中连续记录超过 8 小时，因此如果无线连接断开，记录仍会继续。

参考：参考电极的放置是每个系统设计的一部分，这使得在设置阶段记录该决策变得简单明了。Epoc X 将其 CMS/DRL 参考电极置于 P3/P4，乳突作为备选。EPOC X PRO 将 CMS 固定在左乳突，DRL 固定在右乳突，从而释放出 P3 和 P4 用于记录 EEG。

Insight 的参考设在左乳突上，MN8 在耳朵后部使用分立的 CMS/DRL 传感器，而 Flex 2 允许研究人员将 CMS/DRL 放置在任何 10-20 位置或耳朵上。

基线检查：Epoc X、Insight、Flex 2 和 MN8 都包含实时接触质量监测功能。EPOC X PRO 在每个传感器外壳中内置了接触质量指示灯，因此操作人员甚至在未连接主机设备的情况下，也可以直接在传感器上检查贴合情况。

在 EmotivPRO 中，事件标记可以标注睁眼和闭眼基线片段，Lab Streaming Layer（包含在 Standard Team 和 Performance 计划中）可将 EEG 与诸如 PsychoPy 等刺激软件同步。

将系统与方案相匹配

对于需要灵活电极放置的高密度研究，Flex 2 Gel 或 Flex 2 Saline 可在无线脑电帽中提供多达 32 个通道。Epoc X 适用于学术研究、BCI 开发和课堂教学，在这些场景下 14 个通道已经足够，且测试时间足够短，盐水准备工作不会造成负担。

EPOC X PRO 专为长时间测试、野外实地研究以及对时间敏感的研究而构建，时间戳同步误差在约 1 毫秒以内。Insight 支持便携式 BCI 开发和演示，而 MN8 将 EEG 融入耳塞中，配合 Brainwear App 进行日常使用。

由于 Epoc X 和 EPOC X PRO 共享 14 个核心记录位点以及相同的 EmotivPRO 和 Cortex 软件，团队也可以将它们结合使用，例如在 Epoc X 上进行预实验和培训，同时在 EPOC X PRO 上运行核心记录。硬件对比将各项规格进行了并排展示。

为什么细致的 EEG 准备决定了每次 EEG 记录的价值

整个记录前工作流程的核心启示在于，神经信号的质量在数据采集开始前就已确定，而不是在事后通过巧妙的分析来补救。从对受试者进行说明到清洁头皮、屏蔽房间、选择参考电极以及检查基线，每个阶段都构成了一条链路，其中任何薄弱环节都会向后续的每次测量中引入噪点。

这种权衡意味着缩短设置时间可以节约时间，但会抬高噪底，快速干电极与较慢湿电极之间的直接对比证明了这一点。任何后处理滤波器都无法将大脑真实的电活动与由于移动、环境干扰或准备不充分的传感器接口所引入的伪影完全分离开来。

鉴于许多独立步骤的直接定量证据仍然有限，该工作流程最好被视为一种严格规范的框架，而不是一系列已证实的硬性规定。现有的最有力的证据表明，准备时间是影响信号保真度的一个可衡量的因素，而其他建议则依赖于领域共识和工程逻辑。

毋庸置疑的是，在记录前深思熟虑、系统性地暂停检查，可以避免测试徒劳无功和产生误导性的皮层脑图。简而言之，哪怕是最昂贵、功能最强大的 EEG 系统，其可信度也完全取决于其前期精心进行的校准。

参考文献

1. Boudewyn, M. A., Erickson, M. A., Winsler, K., Ragland, J. D., Yonelinas, A., Frank, M., ... & Luck, S. J. (2023). Managing EEG studies: How to prepare and what to do once data collection has begun. Psychophysiology, 60(11), e14365. https\://doi.org/10.1111/psyp.14365

2. Li, X., Wang, J., Cao, X., Huang, Y., Huang, W., Wan, F., ... & Xie, S. Q. (2024). Evaluation of an online SSVEP-BCI with fast system setup. Journal of Neurorestoratology, 12(2), 100122. https\://doi.org/10.1016/j.jnrt.2024.100122

3. Coelli, S., Calcagno, A., Cassani, C. M., Temporiti, F., Reali, P., Gatti, R., ... & Bianchi, A. M. (2024). Selecting methods for a modular EEG pre-processing pipeline: An objective comparison. Biomedical Signal Processing and Control, 90, 105830. https\://doi.org/10.1016/j.bspc.2023.105830

常见问题解答

为什么向受试者进行行前说明被视为确保良好 EEG 信号质量的第一步？

行前说明通过教会受试者尽量减少面部肌肉紧张、吞咽和眨眼（这些是肌电伪影的主要来源），来减少流程中的操作偏差。它还可以建立知情同意与合作关系，防止在头皮准备过程中发生意外动作。这种行为标准化充当了在任何物理设置开始之前的第一个生物噪点过滤器。

头皮准备时间如何影响 EEG 记录的质量？

更长、更彻底的头皮准备会在皮肤和电极之间建立低阻抗、稳定的连接，从而降低噪底。脑机接口研究的证据表明，较慢的湿电极设置比较快的干电极设置能产生更纯净的信号。在准备时间上的投入直接决定了原始数据的质量。

在记录 EEG 之前需要采取哪些关键的环境控制措施？

受试者的位置应远离未屏蔽的电源，应关闭非必需的电气设备，并在可能的情况下使用接地或屏蔽的外壳。环境温度和照明也必须得到控制，因为波动可能会导致出汗伪影或改变脑节律。标准化的环境可以减少可能被误认为是神经活动的外部电噪点。

为什么参考导联方式的选择是 EEG 设置的重要组成部分？

每一次 EEG 电压测量都是两点之间的差值，因此参考电极定义了所有其他通道视为什么为“零”。不同的参考策略（如平均参考或 REST）会产生不同的拓扑和频谱结果。随意或未经深思熟虑的参考选择可能会在后续产生误导性的皮层脑图，使其成为设置阶段的一个实质性决定。

记录前基线校准阶段的目的是什么？

基线校准提供了一小段静息态片段，以验证放大器是否稳定、电极与皮肤的接口是否均衡，以及信号是否没有明显的伪影。它充当诊断快照，在数据采集开始前发现松动的电极、较差的头皮部位或肌肉紧张。这种审慎的筛查可以防止存储最终在后续分析中被剔除的数据片段。

获取纯净、可解释的神经信号的唯一最关键因素是什么？

细致的记录前校准是唯一最关键的因素，因为它在大脑与放大器之间建立了稳定、低噪点的接口。EEG 记录的质量在存储第一个数据片段之前就已基本确定，而不是通过事后算法来挽救。准备链路中变弱的一环会将噪点传递到下游，降低最终信号的质量。