EEG信号处理与分析常用工具包介绍
行上行下2019-09-12 14:11
转载 | 脑之说
Hello，
这里是行上行下，我是喵君姐姐~
在脑科学领域，EEG技术可以说是研究大脑的最重要的技术手段之一，而对于采集得到的EEG信号需要经过较为复杂的多个步骤的分析和处理才能够获得我们所需要的最终结果。
EEG信号的分析和处理可能会涉及以下一个或多个方面：信号的预处理（预处理也需要多个步骤）、ERP时域分析、时频分析、信号的功率谱计算、功能连接、溯源分析等等。
上述涉及到的EEG信号分析方法对于有编程基础和学过“数字信号处理”相关课程的人来说或许会稍感轻松，但是对于没有学过 “数字信号处理”相关课程的人来说可能就会困难重重。
幸运的是，目前国内外研究者开发出了多款EEG信号处理和分析的开源工具包，供大家免费下载使用。这些开源的EEG工具包促进了脑科学领域的蓬勃发展，也使得“技术小白们”经过简单的学习就可以运用那些高大上的EEG分析技术。这里，脑之说kervin就对这些常用的EEG信号分析与处理工具包进行简单的介绍。
EEGLAB
EEGLAB是由美国加州大学Swartz Center for Computational Neuroscience团队研发的一款基于Matlab软件的开源工具包，可用于处理连续和事件相关EEG和MEG信号，可以说是目前应用最为广泛的EEG信号处理工具包了。
EEGLAB具有便于操作的GUI界面，特别适合初学者以及无编程基础的研究者学习使用。EEGLAB可以读取几乎所有格式的EEG信号，可以方便地进行EEG信号的浏览、EEG信号的预处理、EEG的功率谱计算、独立成分分析ICA、时频分析、ERP波形绘制、头皮电压拓扑分布图绘制等分析。
当然，除了直接使用GUI界面进行上述一系列分析，对于有编程基础的朋友可以直接调用相关函数和编写脚本进行批量处理。此外，EEGLAB还可以免费下载多种特定EEG信号分析方法的插件，以满足不同研究者的不同需求，这大大地扩展了EEGLAB的功能。
EEGLAB的官方网址：https://sccn.ucsd.edu/eeglab/index.php
图1（来源：EEGLAB官网）
FieldTrip
FieldTrip也是一款基于Matlab软件的开源工具包，其由荷兰拉德堡德大学(Radboud University)的Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour团队开发，可用于分析EEG、MEG、NIRS信号。
FieldTrip功能强大，包含大部分EEG信号处理的技术方法。EEGLAB工具包中的EEG分析技术（如时频分析、ICA等等），在FieldTrip中也都可以实现，此外，与EEGLAB相比较，FieldTrip最为突出的优势是可以进行多种方式的EEG溯源分析（如dipoles, distributed sources 和 beamformers）。
但是，FieldTrip没有GUI界面，需要自己编程调用不同功能的函数，因此对于没有编程基础的研究者不太适合，但是其官方网站上配套有比较全面的学习教程，以供初学者学习。
FieldTrip的官方网址：http://www.fieldtriptoolbox.org/
eConnectome
eConnectome是由美国明尼苏达大学Biomedical Functional Imaging and Neuroengineering Laboratory的Bin He教授团队开发的一款基于Matlab的工具包，其可以用于EEG、ECoG、MEG信号的分析。
eConnectome工具包最主要的特点和功能是计算基于DTF (directed transfer function) 和ADTF (adaptivedirected transfer function)的Granger因果连接、溯源分析以及结果在3D头模型上的可视化。此外，eConnectome工具包具有信号预处理的功能，也具有GUI界面，如图2所示。
eConnectome下载网址：https://www.nitrc.org/projects/econnectome/
图2（来源：doi:10.1016/j.jneumeth.2010.11.015）
Brainstorm
Brainstorm是由麦吉尔大学（McGill University）的McConnell Brain Imaging Centre，南加州大学（University of Southern California）的Signal & Image Processing Institute，Cleveland Clinic Neurological Institute等多家单位联合开发的一款基于Matlab的开源工具包，可用于分析EEG、MEG等信号。
与FieldTrip工具包有点类似，除了包含基本常用的EEG分析技术外，Brianstorm最主要的优势是可以进行基于多种技术的溯源分析。此外，与FieldTrip相比，Brianstorm具有GUI界面，方便没有编程基础的研究者使用。
Brainstorm官方网址：https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/
图3（来源：http://dx.doi.org/10.1155/2011/879716）
HERMES
HERMES是由西班牙马德里技术大学（Technical University of Madrid）的Centre for Biomedical Technology团队研发的基于Matlab的开源EEG工具包，其主要的功能和特点是计算基于各种方法的功能连接，如基于相同步的功能连接指标（如Phase-locking value、Phase-lag index等）、基于Granger因果性的有效连接指标（DTF、PDC等）、基于信息论的功能连接指标（如互信息、transfer entropy等），如图4所示。
HERMES官方网址：http://hermes.ctb.upm.es/
图4（来源：官方网站）
总结
当然，除了上述列举出来的EEG分析的工具包外，还有其他很多开源的工具包，这里笔者就不再一一列举。这里笔者需要说的是，工具包虽好，但是我们在应用某些分析技术时，尽量还是要先理解这些分析技术的原理，而不只是“傻瓜式地”点几个工具包中的按钮。
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