工频信号如何干扰脑电信号

EEG Hands On

Posted by 陈锐CR on December 22, 2020 | 阅读

工频信号如何干扰脑电信号

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在前一段时间,看到某微信群有人问50hz干扰脑电信号的问题,我也一直在思考怎么样才能更直白的解释这样的问题。昨天也是在微信读书时也看到这样一段话,分享给大家。

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在我个人经营的微信公众号和博客,基本上都是我个人的经验积累,没有过多的数学公式,我也仅记录我的所思所想,也希望能给进入该领域的初学者一些启发。

今天,我们要谈到的内容——《工频信号如何干扰脑电信号》

其实,在很多电信号领域,都会受到工频信号的影响,这是为什么呢?我们就要来谈谈工频的形成。

工频:是指电力系统的发电、输电、变电与配电设备以及工业与民用电气设备采用的额定频率,单位:赫兹HZ。中国采用 50Hz,有些国家采用60Hz。

不同的频率对电网供电的各方面影响是不一样的,通常一个国家的电网频率是固定的,所有为这个国家和地区供应用电设备的厂家必须按照这个频率制作设备才能正常使用。具体频率定的多少由各个国家自己按照国际习惯定义或者自己定义。

工频信号:指代工业用频率相关电压或电流信号,在我国,一般来说,常用电源频率为50Hz的交流电,工频当然也就是50Hz常规频率。

工频干扰:是由电力系统引起的一种干扰。频率一般为50Hz或60Hz,根据不同国家或地区交流电工频频率而定。主要表现为信号测量时出现的正弦波或其他信号与正弦波的叠加。——来自百度百科

从上面的工频的定义来看,我们可以知道,在国内来说,我们通常会看到50hz的信号干扰,还甚至有可能是100hz/150hz(50hz的谐波信号)的干扰,这些都是有可能存在的。

在脑电设备中,它是如何干扰脑电信号的呢?

在脑电信号的采集中,我们通常会通过脑电放大器和电极帽进行头皮信号的采集,每个脑电设备都会存在设备的可采样的带宽频率(可参考文章,《脑电设备的参数》),它就会包含工频信号的采集,我们所知道的采集下来的脑电信号是混叠信号,包括多个频率的信号,当然也就会包含工频信号。

在工频信号的干扰中,可能会存在两种信号的传输方式进入脑电设备中,从而影响干扰脑电信号的采集。

1、电源频率的传导;

此传导方式是由于电源源头的问题,在供电时,既有50hz的信号进入到脑电设备中,从而影响脑电信号。

2、空间辐射传导;

此传导方式是由于周围环境的设备供电干扰,经过空间传递到电极帽上的电极传感器,进入脑电设备。

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——图来源网络

如何抑制干扰信号呢?

在这里就要提到一个脑电设备中的关键参数——共模抑制比(可参考文章,《脑电设备的参数》)。

在这里,我引用知乎上的回答,会更清晰的理解到共模抑制比的内容。

“首先要了解共模信号为来自于电网、外部辐射、线路内部等的干扰信号,会相同地加载到信号线上,表现为对地电压。单线传播时会引起信号失真,所以一些信号线采用两线传输,其有效信号极性相反,两线间的电压相减就是差模信号,从而减少共模信号的影响。理想状况下,放大器的两输入端电路完全想同,信号中的共模成分被完全抵消,只放大差模信号,而实际无法做出完全一样的电路,这样在放大有效差分信号的同时又放大了一些共模信号。所以我们需要让放大器放大差模信号的能力比放大共模信号的能力尽可能的大,这就是共模抑制比CMRR的概念,即差模增益比上共模增益,CMRR越大放大精度越高误差越小,比如对于CMRR为100dB的的放大器,差模放大倍数设计为10倍则共模信号会被放大0.0001倍。——面壁求索

从上面的解释来看,设备的共模抑制比越大则性能越好。

但是,作为学生,可能没有这样的选项来挑选设备型号,那么怎么样减少工频信号带来的干扰呢?

采集过程:

1、尽可能选择在好的屏蔽室内进行脑电信号采集,同时屏蔽室内不要接电源插座,尽可能所有的电线是尽可能的少,同时减少不必要的电源供电。这一步的作用是用于减少电源源头的传导和空间传导。

2、阻抗过程,尽可能的小。如果噪声来源是空间辐射造成的,那么说明设备是高输入阻抗电路设备,降低阻抗值也能有效减少噪声来源;

3、使用电线屏蔽层,在某些脑电设备中,你也许会听到不同的电极名称——无源电极和有源电极。有源电极是加了电线屏蔽层的电极,它能阻断空间辐射的干扰,从而不影响信号采集。

分析过程:

在分析过程中,最常见的做法是进行数字滤波。

数字滤波器的选择也是对信号的一种改变(可参考文章《脑电信号之滤波》),在去工频信号中,通常会用到两种方式来进行滤波;

1、陷波滤波器:

陷波滤波器从技术上讲是要去掉固定的频率,但是它们并不是绝对的去掉该特定频率,因为,现在的过滤器算法中,并没有能完全截取某一数字的频率,它总是会在该频率左右会有所变化,同时对于过滤的信号其实多多少少会造成信号的失真,这也是为什么在进行数据分析的第一步更建议先滤波后做其它处理的原因

2、低通滤波器:

滤掉高于50hz的信号也是接近此问题的方法之一。但是针对需要查看高频信号的分析,可能会此方法并不是有效的解决方案。

针对滤波器的选择,我在CSDN上看到这篇文章也介绍的很详细,可以参考《50Hz工频干扰消除》

最后,我经常告诉客户的是,完全消除50Hz是不可能的,只能尽可能的减小造成该信号干扰的源头,或许将是获取好质量数据的必备条件。


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本文作者:陈锐

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