在神经科学与认知科学研究领域，脑电（EEG）、近红外（fNIRS）、眼动仪及生理多导设备已成为解析大脑功能与行为机制的核心工具。而采样率作为数据采集的基础参数，其选择直接关乎信号精度、研究效度与数据处理效率 本文主要介绍不同设备的采样率应当如何正确的选择。

首先，我们要先理解采样率的含义：采样率（sampling rate）也被称为采样速度或者采样频率，它指的是每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，单位用赫兹（Hz）表示。

脑电：数字化脑电图的一大特点是它能够对采集到的EEG信号实时数字化采样，采样的数据通过模数转换器（Analog-to-digital converter, ADC, A/D）形成计算机可以识别的图形，也即我们在计算机显示器中看到的随时间变化的波形图。

脑电信号的频率范围

典型频段：

Delta（0.1-4Hz）：深度睡眠、麻醉状态。

Theta（4-8Hz）：浅睡眠、记忆编码。

Alpha（8-13Hz）：静息闭眼状态。

Beta（13-30Hz）：清醒、认知活动。

Gamma（30-100Hz）：高度专注、神经同步。

更高频成分（如 100-200Hz）：局部场电位（LFP），常见于颅内 EEG（iEEG）。

奈奎斯特采样定理的应用

理论要求：

采样率需至少为信号最高频率的 2 倍（即奈奎斯特频率），以避免频谱混叠。

实际应用：

为确保抗混叠滤波器的有效性，通常将采样率设为目标最高频率的 2.5-3 倍。例如：

研究 Gamma 波（最高 100Hz）时，采样率需≥250Hz（100×2.5）。

若需保留 100Hz 以上高频成分（如 iEEG 的高频振荡），采样率需≥500Hz。

近红外：

fNIRS 通过测量脑皮层血氧浓度（如氧合血红蛋白 HbO₂、脱氧血红蛋白 HbR）的变化反映神经活动，其信号本质为血流动力学响应（HDR），具有以下特点：

信号频率范围：

典型 HDR 的频率主要集中在0.01–0.1 Hz（对应周期 10 秒–100 秒），与神经活动引起的脑血流、血氧变化相关。

生理噪声频率：

心跳相关波动：约1 Hz（60 次 / 分钟）；

呼吸相关波动：约0.2–0.5 Hz（12–30 次 / 分钟）；

Mayer 波（血管低频波动）：约0.05 Hz。

采样率选择的核心原则

奈奎斯特采样定理

采样率需至少为信号最高频率的2 倍（奈奎斯特频率）。例如：

若关注 HDR 本身（最高频率 0.1 Hz），理论最低采样率为0.2 Hz；

若需保留心跳噪声（1 Hz），最低采样率为2 Hz。

实际应用中，为避免混叠并保留滤波余量，采样率通常设为目标最高频率的3–5 倍。

生理多导：生理多导仪（Polygraph）可同步记录多种生理信号（如心电、脑电、肌电、呼吸等），其采样率选择需基于不同信号的频率特性、研究目的及设备性能综合考量。

常见生理信号的频率特性与采样率基准

采样率选择的核心原则

1. 奈奎斯特采样定理与安全系数

采样率需≥2× 信号最高频率（奈奎斯特频率），实际中为避免混叠，通常采用3–5 倍安全系数。

例：EMG 最高频率 500 Hz，理论最低采样率 1000 Hz，实际推荐 1500–2000 Hz。

2. 多导信号的同步性与设备兼容性

统一采样率：多数多导仪要求所有通道采用相同采样率（如 1000 Hz），以确保时间戳同步。

解决方案：对低频信号（如呼吸）可事后降采样，但高频信号（如 EMG）必须满足采样要求。

设备限制：商用多导仪（如 Biopac）常见采样率为1000 Hz、2000 Hz、5000 Hz，高端科研设备可达 10 kHz 以上。

3. 研究目的与信号细节需求

临床诊断：需高保真记录信号特征（如 ECG 的 ST 段变化），采样率通常≥1000 Hz。

基础科研：

低频信号（如自主神经活动）：50–200 Hz 即可；

高频事件（如 EMG 动作电位）：需≥1000 Hz；

快速瞬态信号（如眼动、肌电爆发）：需≥500 Hz。

眼动仪：眼动仪采样率表示眼动仪每秒采集眼球位置、注视点、扫视等数据的次数。例如，100Hz 采样率意味着每秒记录 100 个数据点。

影响采样率选择的关键因素

1. 研究类型与科学问题

基础认知研究（如视觉注意、眼动神经机制）：

需求：需捕捉毫秒级眼动细节（如扫视潜伏期、微眼跳频率）。

建议：选择高采样率（500Hz-2000Hz），例如研究阅读中的眼跳模式时，1000Hz 可精确分析注视时长与眼跳距离的关系。

应用场景研究（如人机交互、广告效果）：

需求：关注注视点分布、兴趣区域（AOI）停留时间等宏观指标。

建议：中低采样率（100Hz-300Hz）已足够，如分析用户浏览网页时的注视热点，100Hz 可满足基本需求。

临床与神经疾病研究（如帕金森、阅读障碍）：

需求：需同时兼顾时间精度（如异常眼动模式）和长时间数据稳定性。

建议：中高采样率（300Hz-1000Hz），例如追踪眼球震颤时，500Hz 可捕捉细微的震荡轨迹。

2. 实验任务的时间特性

快速眼动任务（如视觉搜索、动态刺激识别）：

特点：眼球运动速度快（扫视速度可达 500°/ 秒），需高频采样避免数据丢失。

示例：研究用户对闪烁广告的反应时，1000Hz 可准确记录扫视起始与刺激呈现的时间关联。

缓慢注视任务（如静态图像观察、持续阅读）：

特点：眼球运动以注视为主，采样率需求较低。

示例：分析绘画作品的观赏顺序时，200Hz 即可满足注视点序列的记录需求。

以上，就是不同设备的采样率如何选择的全部介绍需要注意的是，不是越高采样率就表示设备的精度越高，信号质量越好，采样率过高会导致数据量变大且分析困难，采样率过低则会引发信号失真与关键信息丢失。我们需要根据设备原理基础，实验需求，以及研究方向，选择合适设备的采样率。