《第十六章 神经和肌电信号的测量与处理 (Measurement and》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十六章 神经和肌电信号的测量与处理 (Measurement and（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十六章 神经和肌电信号的测量与处理(Measurement and Processing of Signals from Neural and Muscular System),第一节 脑电信号的采集与处理(Measurement and Processing for Eelectroencephalo-Signal),一、脑电图的基本特征和分类,脑电图是由电极记录下来的大脑细胞群的自发性生物电活动。以电位为纵轴，时间为横轴将它以曲线的形式显示出来，即脑电图，也称为脑波。目前的脑电设备已基本实现电脑化，脑电信号被数字化后存于计算机中，通过屏幕来显示或在计算机控制下打印出来。脑波具有在时间和空
2、间分布上不断变化的特性，因此，脑波的电位（振幅）、时间（周期）及位相三者构成为脑电图的基本特征。 脑波的周期与物理学中正弦波的周期略有不同，它指的是一个波的波谷（或波峰）到下一个波的波谷（波峰）之间的时间，用毫秒（msec：millisecond）表示。每秒种出现的周期的数目称为频率，用Hz表示。在脑电图上，除形态类似正弦波的波形外，还可见到由不同周期的脑波重叠在一起所构成的复合波。,脑波的振幅通常是从波峰划一条垂直于基线的直线，并且与前后两个波的波谷连线相交，此交点至波峰的距离称为脑波的振幅，用（V）微伏表示。采用这种计量方法的理由是，脑电图的基线常会不太稳定。脑波的振幅主要决定于脑内发生的
3、电活动的强度和参考电极的选择。按照振幅的大小，通常将脑波分为四种类型：在25V以下为低幅，2575V为中幅，75150V为高幅，150V以上为极高幅。脑波振幅的变化方式可大致分为三种： 非常快的突然性变化如癫痫波； 短时间内（几十毫秒至几分钟）的变化，如闭目状态的睁眼，外界刺激及思维活动等引起的变化； 发育过程中或者随年龄增加出现的几天至几年的缓慢振幅变化。,脑波的位相又被称为脑波的极性。通常的规定是，以基线为标准，波顶朝上的脑波称为负相（阴性）波，波顶朝下的脑波称为正相（阳性）波。这里需要说明的是，在脑波的记录中，通常是把负电位记录在基线以上而正电位记录在基线以下的。按照相位的情况，脑波就有
4、单相、双相或多相之分。在同时观察和比较两个部位的脑波时，两者之间的位相关系是一个很重要的指标。当两个部位的脑波在同一时间点上具有完全相同的周期和位相则称它们是同相的，当两个部位的脑波在同一时间向基线相反的方向偏转时则称它们是反相的。在健康人的脑电图中，一般左右对称部位的波呈同位相，特别是在左右枕区之间，但在左右顶区可有位相差，在枕顶区与额区之间可见位相倒置。脑波的同位相或非同位相对脑机能损害的定位判断具有重要意义。,人类的脑电图中脑波频率一般在0.530Hz，通常按照频率进行分类以表示各种成分。下面是国际上的分类标准。一般将比波慢的波与波统称为慢波；而将比波快的波和波统称为快波。此外，对在特定
5、条件下，如在病理情况下容易出现的与上述不相同的脑波，则按其波形特征及其所代表的意义分别予以命名，如棘波、尖慢综合波、顶尖波及三相波等。表16-1 脑波按频率的分类,1波健康成人波的平均振幅在3050V，主要分布于顶枕区，一般呈正弦波样。大多数健康成人的脑电以波为主要成分，在觉醒安静闭目状态时出现的数量最多且振幅也最高。当进入睡眠时，波完全消失。清醒时睁开眼睛或注意力集中时其幅值降低，并由较高频率的波代替。波随脑发育成熟或年龄的变化而变化。对少儿，随着脑的发育波数量逐渐增多，频率逐渐提高，至成年期趋于稳定，到老年期波则逐渐变慢。可见波的频率、振幅、和空域分布等因素是反应大脑机能状态的重要指标。,
6、2波 波的频率范围为1430Hz，振幅一般530V，它遍及整个大脑，主要分布于前半球及颞区。约有6%的健康成人的脑电图以波活动为主。波可能与性别、心理、个性及年龄有关。一般女性较男性波多见，老年人波较成人为多。情绪不稳、应用镇静催眠剂等药物时波常会增多，振幅增高。波可进一步分为1和2，1波的频率约为1320Hz, 它与波一样受心理活动的影响，2波的频率约为2030Hz, 它在中枢神经系统强烈活动或紧张时出现。,3波波的频率为47Hz，振幅1040V。从小儿到成人，波数量逐渐减少，频率逐渐增加而振幅逐渐降低。健康成人脑电图中仅散在出现少量波。波主要发生在儿童的顶部和颞部，成年人在感情压抑，特别在
7、失望和遇到挫折时，也能出现近20s的波。疲劳状态或入睡后波将增多。在老年期和病理状态下波是很常见的波形。4波波出现在熟睡、婴儿及严重器质性脑病患者中。也可以在作了皮质下横切手术的试验动物的脑上记录到这种波，这种手术使大脑皮质和网状激活系统产生了功能性分离，因此，波只能在皮质内发生，而不受脑的较低级部位神经的控制。,5节律节律是在中央区出现的812Hz的梳形节律。可见于一侧中央区，在两侧中央区出现时可以不同步、不对称、节律在睁眼时不消失，但在握拳（对侧）、精神活动及受到触觉刺激时出现抑制而有短暂的消失。节律可出现于健康人、神经症及脑外伤后等，其意义尚未明确。6顶尖波顶尖波(vertex shar
8、p transient )又称为峰波(hump)，为浅睡初期在顶、中央区同步出现的阴性尖波，以顶区最为显著。可呈23相，以阴性波为主体，但在少儿期可以阳性波为主。峰波的频率为35Hz，振幅100300V，成双出现时又称为“双顶驼峰”。,7睡眠纺锤波睡眠纺锤波(spindle wave)又称为节律（sigma rhythm），频率1214Hz，少儿可为1012Hz。主要见于顶/中央区，有时可呈广泛性出现。在少儿期节律可左右不同步，60岁以后节律显著减少或消失。节律为浅睡期的主要脑波标志。8复合波K复合波(K-complex)为顶尖波与节律组成的复合波。在浅睡期可自发出现或由外部的知觉刺激尤其声响
9、刺激所诱发，通常是两侧对称同步出现。节律是一种正常睡眠中的觉醒反应。,二、脑电图的记录方法我们已经了解了关于脑波的种类和性质，然而如果不知道在哪个部位安装电极，用哪种方式记录脑电图，则不能正确分析脑电图，因此在这里介绍脑电图的记录方法。1脑电图仪与记录电极脑电图仪为放大百万倍的微伏级精密电子设备，它的使用环境及条件设置要求较严格。通常应选择在安静、避光和电磁干扰小的房间。临床使用的脑电图仪至少应有8个导程，此外尚有12、16、32导程等多种规格型号。在认知研究中则一般使用32、64、96、128或256导程的脑电图机。通常脑电图仪导程数目越多，所能获得的脑电时空信息也越丰富。但是，电极数越多，
10、除了设备越昂贵外，在使用时安装电极的时间也越长，信息处理的复杂度也相应增加，因此应根据具体情况作出合理的取舍。,记录脑电图所使用的电极有漏斗状电极、盘状电极和针状电极，此外还有需要放置在特定部位的特殊电极如蝶骨电极、鼻咽电极、皮质电极和深部电极等。 关于头皮电极的位置，有许多放置法如Montreal、Cohn及Gibbs法等。但应用最多的是10/20系统法，即国际脑电图学会建议采用的标准电极安放法（Montreal），其放置方法如图16-2。,图 16-2 1020 电极安放示意图,图16-3 32导电极位置分布示意图。,图16-4 64道电极位置分布示意图,10/20系统共计21个电极，它的
11、显著特点是，头部电极的位置与大脑皮质的解剖学分区较为明确，电极的排列与头颅大小几及形状成比例，在与大脑皮质凸面相对应的头部各主要区域均有电极放置。 近年随着信息技术和计算机科学的发展，脑电采集正在向多道系统发展，32，64 ，96，128甚至256道的系统也在开始进入实验室。就我们的观察而言，在电极数为32道时，采用的是在10/20系统的基础上，按其10/20原则进行补充而成，而当电极数为64或更多时，虽有10%、10/5%电极规范推出，但更多的系统采用的实际上是在头表上尽可能的均匀分布。图16-3，图16-4，图16-5分别给出了有关系统中采用的32道、64道和128道电极位置的示意图。需要
12、说明的是，不同的脑电系统对相似位置电极的命名也常略有不同。,2脑电图导联方法 将电极按照一定的目的组合起来进行某种形式的记录称为一种导联(Montage)，如常用的单极导联和双极导联。 单极导联中有一个电极（如耳垂电极）被作为所有导联的公用电极，称为“不活动”电极或参考电极。脑电图仪每个导程的放大器均有两个输入端G1和G2 。单极导联就是将参考电极连接在所有放大器的G2（+）端上，而将活动电极连接在放大器的G1（-）上。在这种导联情况下，活动电极下面的阴性电位将作为波顶朝上的阴性波被记录下来。在单极导联中，常用的是耳垂参考电极。在基于32及以上电极数的多道记录中，一般都是采用单极导联法。,耳垂
13、参考电极与头部活动电极的连接方法有3种：左右侧耳垂电极分别与同侧半球的活动电极相连接；左右侧耳垂电极先连接在一起，再与左右侧半球的电极相连接；左右两侧耳垂电极分别与两侧半球的电极相连接。 平均电极(Average)是用每个时刻所有电极位置处的电位的平均值作为公用电极，它可以在用耳垂参考电极完成记录后，经过简单的换算得到。,图16-5 128道电极位置分布示意图,双极导联是将两个头部活动电极分别连接到脑电图仪每个放大器的G1和G2端，这样记录下来的是两个活动电极间的电位差。双极导联在医学临床中有较多的应用。从物理上考虑，理想的导联应当是以某个真正的不活动电极为参考的记录，可是在脑电观测中根本就不
14、存在这样的参考点，这是在当前脑电实践存在基于多种参考的多种导联的根本原因。 以耳垂为参考电极的导联易受颞部脑电活动的影响。在背景活动上，当耳垂受波影响时，会使原本很少有波的额部出现波，并与枕部的波呈位相倒置；有关颞部附近出现爆发波时，因为耳垂电极在其附近，有时可在其它电极记录到与颞部异常波幅度相当，甚至波幅更高的异常波，这种情况称为参考电极活化。,脑电参考电极的活化问题是一个伴随脑电技术出现100年来一直未能很好解决的问题，Hagemann et al (2001)在一项研究中指出，EEG参考的选择对用alpha波进行额叶对称性的研究是一个关键性的因素，并指出在进行文献评述时，不能把基于不同参
15、考得到的结果进行简单的互换。由此可见，选择一个公用且中性的参考，对于不同实验室的结果的交流有着十分重要而基础性的地位。我们新近的研究表明，在多道记录的情况下，可以通过一个数学的变换，近似地把基于上述参考的记录，换算成以无穷远点为参考的记录。由于无穷远点远离所有实际的脑电活动点，因此可以被看成是一个真正的不活动点，从而为对脑电数据的客观分析提供了可能。,4脑电图记录的基本要求 过去记录EEG需要在声光电磁隔离很好的屏蔽室（三层金属网，内外层为铁磁材料，中层为铜材料，还要夹以吸声材料）内进行，需有良好的本地接地装置。由于电子技术的进步，特别是放大器性能的提高，对电磁屏蔽的要求有所降低，甚至不需电磁
16、屏蔽。但由于声光刺激对EEG的影响大，故仍需采取相应的屏蔽措施。 在放大器方面，由于EEG信号非常微弱，一般在V数量级。输入级应具有如下特性：低输入噪音（3V P-P）,高增益（0.510310104）,高共模抑制比（KCMR80dB）, 低漂移和高输入阻抗（10M）等。要达到上述要求，除采用低噪音差动电路外，还必须对元器件进行严格的挑选，并注意工艺过程。仪器必须有良好的接地。根据目前仪器的设计水平，一般可不要屏蔽室，但如果周围环境电磁干扰较强，还是需要装屏蔽室。,在电极方面，记录电极本身不应产生噪声和漂移。实验证明，用火棉胶固定的银-氯化银或金质盘状电极是较好的电极。但由于现在的放大器具有高
17、输入阻抗，由其他材料制成的电极和电极膏也可以取得很好的效果。为减少噪声，电极必须保持清洁。电极应尽可能按系统建议的方法放置。电极间阻抗在记录前必须作常规测量，一般不超过5K。在记录过程中出现伪迹时需重新测量。 常规记录时低频滤波器不应高于1Hz(-3dB)，高频滤波器不低于70Hz(-3dB)。一般情况下不要用50/60Hz陷波，因为可能导致棘波失真或变小。除非想尽一切办法都不能去除50/60Hz干扰时才使用。 自发脑电的记录至少应包括技术操作非常满意的20分钟记录。如果要进行一些诱发实验，如过度呼吸、闪光刺激等，则应记录更多的时间。脑电图记录时间越短，出现异常的机会就越少。 脑电记录的趋势在于发展佩带更加方便、迅速和舒适的记录系统，其中包括蓝牙技术的采用等。,
