第3课 脑电测量及仪器

生物电测量与仪器 ——脑电测量及仪器

刘谦
Qianliu@

华中科技大学· 生命科学与技术学院

BIoMedical Measurements and Instrumentation（BMI）


参考书和资源


生物医学测量与仪器，王保华，复旦大学出版社，2003年


OpenEEGproject ，/OpenECG，




内容


脑电的产生和脑电图


脑电图机


脑电信号分析


诱发脑电




脑电的产生


神经细胞的跨膜静息电位为-70mV，为静息状态，受刺激后，膜内电位上升，开始除极化，形成动作电位。


由于组织很厚，而单个神经元电活动非常微小，不能在头皮记录到。能在头皮上测量到的是由大量神经组织的突触后电位同步总和而成


脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动形成的，同步化作用通常认为受脑干的控制





脑电的测量


自发脑活动：在无明显感觉刺激情况下，大脑皮层经常自发产生的节律性电位变化。(10~100uV, <50Hz)


诱发脑电位：由于外界诱发引起的脑电位变化(0~100uV)


脑电图：应用记录电极在头皮表面所记录的自发脑电活动。


皮层电图：在开颅情况下，应用记录电极在皮层表面所记录的自发脑电活动。




脑电图


大脑皮层的神经元具有自发生物电活动，因此大脑皮层经常具有持续的节律性电位改变。临床上将用双极或单极记录方法，在头皮上观察大脑皮层的电位变化而记录到的脑电波称为脑电图(EEG)





脑电记录历史


英国医生理查德·卡顿在1875年首先在动物身上观察到了脑电波。由于受到威廉心电图获得成功的鼓舞，伯格决定用弦线电流计来测定大脑的电活动。


国精神病学家伯格（Berger）于1924年在其子的头部用头皮电极第一次记录脑电活动，于1929年发表了论文，并开始应用于临床。他确定了α波和β波。




脑电图机


脑电图机通常有8通道或16通道，同时测量和描记8道或16道脑电波形，用8笔或16笔的墨水笔记录仪描记。现代脑电图机还有64道及128道。





电极安放标准


（A）

（B）

FPZ

OZ

CZ

T3

A1

A2

CZ


电极放置的10~20系统(A示侧面观;B示头顶部正面观)，基于头皮4个标准 点(鼻根、枕外粗隆、左和右耳前点)间的百分比距离而来

国际脑电图学会建议采用的标准电极安放法:其中FP为额 极，Z代表中线电极，CZ为中央点，PZ为顶点，O为枕点，T 为颞点，A为耳垂电极。主要按三条线：前后正中线 (FPz~Oz),冠状线(A1~Cz~A2)和侧连线(FPz~T3/T4~Oz)


国际10-20系统

其特点是：

电极有各自的名称：位于左侧的是奇数，右侧的是偶数。


按近中线的用较小的数字，较

外侧的用较大的数字。


电极名称包括电极所在头部分区的第一个字母。


诸点电极的间隔均以10%和20％来测量。




.
国际10-20系统(the 10-20 international System)电极放置法




脑电图电极的安放位置

测量眉毛和耳上 方头围的下10%圈定 出最外侧电极的位置 (左右前额点FP1、 FP2，前颞点F7、F8 ，中颞点T3、T4， 后颞点T5、T6和枕 点O1、O2)。



脑电图电极的安放位置

前后方向的测量 是以鼻根到枕骨粗隆 连成的正中线为准， 在此线上有额中线点 Fz、中央头顶点Cz 和顶中线点Pz，在 正中线中点和前后 20%处



脑电图电极的安放位置

根据耳屏前凹径中 央头顶到对侧耳屏前凹 的测量结果，可确定冠 状线电极的位置，如中 央点(C3．C4)。
额点(F3，F4)位于 前额和中央，以及前颞 和额中线电极的中间。 顶点(P3，P4)位于中 央和枕区，后颞和顶中 线电极的中间。



单极导联法


单极导联法是将活动电极置于头皮上，并通过导联选择开关接至前置放大器的一个输人端(G1)；无关电极置于耳垂，并通过导联选择开关按至前置放大器的另一个输入端(G2)。






G1

G2

+

-


无关电极一般选两侧耳垂，它与活动电极有 多种配对方式： 1．一侧耳垂无关电极对应同侧头皮活动电 极。
2．一侧耳垂无关电极与另一侧头皮活动电 极相对应。 3 ．左右两侧耳垂的电极连接在一起作为无 关电极使用(也可接地)，再与各活动电极(每 次只能取一种)配对．


单极导联法的优缺点


优点:能记录活动电极下脑电位变化的绝对值，其波幅较高且较稳定，异常波常较局限，这有利于病灶的定位。


缺点：参考电极(无关电极)不能保持0电位，易混进其他生物电干扰。例如当振幅大的异常波出现于颞部时，耳垂电极由于靠近颞部而受其电场的影响，这样有可能记录到与颞部电位数值相近的异常电位。




双极导联法


双极导联法不使用无关电极，只使用头皮上的两个活动电极


优点：记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值，可以大大减小干扰，并可排除无关电极引起的误差。


缺点：如果双极导联的两个活动电极间距离在3cm以内，来自较大范围(距离大于3cm)的脑电位被两个活动电极同时记录下来，结果电位差值互相抵消，记录的波幅较低，所以两电极的距离应在3-6cm以上。





导联线的连接方式



两种导联法的对同一病灶点的诊断显示的波形不同
(a)双极导联； (b)单极导联

(a)

(b)

对同一脑部病灶区，单极导联和双极导联可以得到 不同效果波形，在临床应用中都有很大的指导意义


多导电极


利用脑电图确定位

病灶和诊断病情，并非只由一对电极来实现，而是要用多对电极(多个导联)，根据不同的情况和要求，连接成不同的方式，记录多个波形，分析这多个波形的基本特征和相互联系才能完成病灶定位和疾病诊断。这就要求脑电图机有多个放大器，同步记录8、16或32导波形。




128导EEG/ERP记录系统


Neuroscan128导EEG/ERP记录系统为脑科学的研究提供了很好的技术和研究平台，而且还有和磁共振结合研究的工具。目前又推出全新的脑电研究的方法，并已成功完成了512导记录系统的调试







EEG基本特征
用快的送纸速度记录下来的脑电图一般呈正弦波样外 观，周期、振幅、位相称为脑电图的基本特征，也是 规定放电团节律性的波形的重要因索。








基
线

振幅

周期





脑电位相图

180度
（位相倒转）

90度


脑电波波谱


α波：频率为8~13Hz，波幅为10~100μV的正弦形节律。这是脑电图中的基本节律，出现在大脑半球后半部，特别是枕部。安静时及闭眼时出现最多，波幅亦最高。其波幅可以出现周期性逐渐升高和降低现象，呈纺锤形或梭形


β波：频率为13~30Hz，在前头部最多见。


θ波：频率为4~8Hz，波幅为20~40μV，常见于正常小儿，多见于顶、颞叶。


δ波：频率为0．5~3Hz，波幅一般在100μV左右，见于儿童和成年人的睡眠时，在过度换气、睁眼及呼叫其姓名时都对δ波无影响。一般出现δ波均属异常。


棘波:是时限短的电位（20~80ms），呈垂直上升和下降，波幅约为100~200μV，极性向上者称为阴性棘波，向下者称为阳性棘波。棘波多为病理性波。常见于局限性癫痫、癫痫大发作、肌阵挛性发作、间脑癫痫等



脑电波图谱


波形

名称

Beta

波

Alpha

波

Theta

波

Delta

波

棘波


EEG分类

δ波
θ波
α波
中间快波
β波
γ波

Schwab频率分类

0.5 ~ 3Hz
4 ~ 7Hz
8 ~ 13Hz
14 ~ 17Hz
18 ~ 30Hz
31Hz以上

慢波

快波



α-脑电图：顶、枕
大多数
β-脑电图：6%
全部导联
额、中央区
平坦脑电图：10%
不规则脑电图

R. Jung 图形分类



脑电图的临床生理学意义


颅内发生损伤、占位性病变，均可影响神经细胞功能，从而使脑电波发生改变。




脑电记录中睁眼对α波的影响


不同意识状态下的脑电图


深度睡眠

清醒

快速眼动睡

眠

轻度睡眠

大脑死亡

1S

V

μ

50



影响脑电图的各种因素
生命过程中，在整个机体特别是神经系统发生的全部变 化都能反映在脑电图上。
年龄
个体差异和年龄差异
精神活动
外界刺激
意识变化
体内生化学改变
脑部疾病



与发

育情况和体制特点有关

一过性、可逆性的生理变化


病理变化（棘波、慢波等）




成人正常脑电图的主要特征


1．由α波和快波组成，慢波只有少数、散在性θ波(占10％
～15％以下) 。
2．α波和快波显示正常分布，即α波主要分布于枕、顶区
，快波于额、额前区。
3．左右对称部的波幅差一般不超过20％。
4．左右对称部的频率差异不超过10％。
5．α波在睁眼、感觉刺激、精神话动时有反应(衰减)。


脑电与心电放大的差异


单元脑电放大器的工作原理与心电放大器基本相同，但由于脑电信号的幅值范围为10~100μV(平均50μV，老人20μV左右，儿童可达100μV)，比标准心电信号要小两个数量级，因此它要求的放大增益要高得多(约100dB左右)。由于信号太微弱，同样大小的共模电压对脑电检测将会造成更为严重的影响，因此要求脑电放大器有更高的共模抑制比（约为10000:1）。





脑电测量系统特征I


电极要求：防止出现的基线漂移，采用银-氯化银制的极化电极，以提高极化电压的稳定性


脑电电极比心电电极要小，因此它具有较高的信号源阻抗，要求放大器有更高的输入阻抗(大于10MΩ)。


导联数多，而且为了观察脑电场分布的对称情况和瞬时变化，一般要求进行同步记录，因此必须有多通道的放大器和同步记录器同时工作，常见的一般有8导、16导、32导、64导和128导等。




脑电测量系统特征II


脑电图机应设有电极-皮肤接触电阻测量装置，以估测接触电阻，提示采取改进措施来保证良好的接触。


一般接触电阻应小于20kΩ，如果超过此值，则必须清洁皮肤，处理电极和采用更好的电极膏。


为保证人身安全和测量的准确，测量电源应采用交流恒流源。




脑电放大电路设计要求


灵敏度：2~50μV/div可调


带宽：DC～150Hz


输入阻抗：>=200MΩ


共模抑制比：>=80dB


系统噪声<=5μVrms


头皮电极接触阻抗<=5KΩ




脑电图伪差


脑电图的伪差又称伪迹或干扰，是指来自脑外的电位活动在脑电图中的反映。伪差的出现常给阅读、分析、判断脑电图造成困难，尤其是某些伪差与痫波很相似，临床上很容易造成误诊，因此正确识别和排除伪差是很重要的。


引起伪差的因素很多，表现也多种多样，但归纳起来有来自仪器和人体两个方面，其中来自仪器的伪差有：描记仪的故障，电极接触不良或故障，交流电干扰等。来自人体的伪差有：眼睑及眼球运动、肌肉收缩、心电图、呼吸、哭泣、皮肤出汗、血管搏动等。




做脑电图应注意事项


将头洗干净，不要涂抹油性物质。


脑电图室要安

静舒适。


前一天晚上要睡好觉(剥夺睡眠者除外)，临做前要进餐。


操作者态度要和蔼可亲，将要求给病人解释清楚，让病人能充分理解和合作，并严格按操作者的指令去做。


安放电极板要轻柔、准确，使之密切置于皮肤上，这是做好脑电图的关键。




诱发电位仪


除了自发脑电波外，采用刺激的方法还能够引起大脑皮层局部区域的电活动，称之为脑诱发电位EP（Evoked Potential）。


刺激的方式通常有三种：视觉刺激、听觉刺激和体感刺激，刺激时，可在与刺激感觉通道相对应的头皮部位测到诱发电位，分别称为视觉诱发电位VEP（VisialEvoked Potential）、听觉诱发电位AEP（Auditory Evoked Potential）和体感诱发电位SEP（Somatic Evoked Potential）。




诱发电位的测量部位及临床价值

类型
刺激方法
测量部位
临床诊断价值

VEP
闪光或视觉图形刺激
头皮枕叶部
多发性脑硬化外周神经 伤害神经病

SEP
电流刺激
感知皮层上
外周神经纤维和皮层之 间脊柱通路的疾病

AEP
声音（咔嗒声、爆发 声、白噪声）
脑干上
听觉通路缺陷疾病




上图是视觉诱发电位曲线，幅度范围为1~20μV，带宽1~300Hz，持续时间为200ms。P表示正相波，N表示负相波，以平均潜伏期（Latency）作为下角注，如P100表示潜伏期为100ms的波峰。由于诱发电位幅度极小，埋没在自发脑电及噪声中，所以常用迭加平均方法将多次刺激（多达1000次以上）的诱发电位迭加，再去除噪声后，才能获得诱发电位。





叠加平均基本原理

叠加n次：信噪比提高√n倍




上图是二通道诱发电位仪的方框图。它具有高性能的全浮地前置放大器，高速A/D转换器进行数据采集，由高性能的微机控制，并配有高速数字处理器进行迭加平均运算。由电视监视器实时显示波形，具备测量功能，由X-Y绘图仪绘制波形图。多通道的诱发电位仪还有4、8、16、32和64通道的。





2.1.4 脑地形图仪


现代脑电地形图仪将脑电图仪、诱发电位仪及自发脑电/诱发脑电地形图集于一体，在彩色电视监视器上可显示16通道脑电图，或16通道诱发电位，或脑电地形图。




由自发脑电经统计分析绘成的地形图称为自发脑电 地形图；由诱发脑电各潜伏期作出的地形图称为诱发脑 电地形图。脑电地形图对诊断脑部疾病比波形更直观。 正常脑电地形图左右两侧对称。视觉诱发脑电地形图呈 现不对称性，说明被测者脑部有疾患。


动态脑电记录分析系统


动态脑电记录分析系统（脑电Holter系统）是受动态心电记录分析系统（心电Holter系统）的启发，由临床需要提出来的。脑

电Holter系统可以把病人在正常生活环境中从事日常活动的脑电活动长时间地（至少24小时）实时记录，然后回放并进行详细观察、分析和处理，从而有利于异常脑电波的发现与诊断，目前主要用于对癫痫的鉴别和诊断





脑电Holter系统由记录器和计算机回放分析系统两部分组成。记录器一般为佩带式，能进行24小时大容量多通道无失真的脑电信号存储，且功耗低。


佩带式记录器目前主要有两种：⑴磁带式，采用普通磁带进行EEG记录；⑵固态式，采用低功耗大容量静态存储器（SRAM）进行EEG的数据记录。





动态脑电分析系统


分析系统具有回放、分析、存储及打印功能。回放功能包括快速、常速、全览、选时回放等多种方式。分析功能有：⑴各种形式的脑电地形图；⑵功率谱分析、谱参数提取；⑶各节律能量直方图；⑷压缩功率谱阵图；⑸相关分析、时域分析；⑹伪差滤除；⑺癫痫波自动识别及定位；⑻睡眠波分析等。








VEP-2D
frequency

VEP-2D

VEP-3D

脑电地形图

源分析



脑机接口


脑机接口（brain-computer interface，BCI），它是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间建立的直接连接通路。在单向脑机接口的情况下，计算机或者接受脑传来的命令，或者发送信号到脑（例如视频重建），但不能同时发送和接收信号。而双向脑机接口允许脑和外部设备间的双向信息交换





Do it Yourself


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