腦電圖采集技術(shù)現(xiàn)狀及臨床采集基本技能

周曉霞，遇濤，張?chǎng)?，張?guó)君，杜薇，李勇杰

1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 功能神經(jīng)外科，北京市功能神經(jīng)外科研究所，北京 100053；2.中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心，北京 100190

引言

腦電圖（Electroencephalography，EEG）是通過(guò)醫(yī)用電極記錄下來(lái)的腦細(xì)胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動(dòng)[1-2]。通常提到的EEG是指頭皮EEG，實(shí)際上是頭皮電位差與時(shí)間之間的關(guān)系圖。EEG是評(píng)價(jià)腦功能狀態(tài)的一個(gè)敏感指標(biāo)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及精神性疾病的診斷，也用于心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域的研究[3]。盡管高分辨率的解剖和功能成像技術(shù)發(fā)展日新月異，但在癲癇的診斷和治療中EEG始終是其他無(wú)創(chuàng)檢查無(wú)法替代的重要檢查工具[4]。與各種影像學(xué)檢查相比，EEG更加抽象晦澀，不易理解和掌握[5]。

EEG儀是放大并記錄腦電信號(hào)的儀器，輸入阻抗、共模抑制比、帶寬、采樣率等都是放大器的關(guān)鍵指標(biāo)，目前關(guān)于腦電設(shè)備的研究相對(duì)較少，而腦電設(shè)備采集和使用對(duì)科研和臨床應(yīng)用上又至關(guān)重要，本文旨在介紹腦電采集技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并幫助零基礎(chǔ)的腦電人員初步掌握這門技術(shù)。

1 腦電采集技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

當(dāng)前，應(yīng)用于臨床監(jiān)測(cè)的視頻EEG儀品牌繁多，就科研領(lǐng)域而言，國(guó)外的腦電采集系統(tǒng)主要包括美國(guó)EGI公司、NeuroScan公司和德國(guó)Brain Products公司，以上三個(gè)品牌的EEG儀采集精度都相對(duì)較高[6-7]，因此廣泛應(yīng)用在認(rèn)知科學(xué)研究領(lǐng)域。就臨床監(jiān)測(cè)而言，國(guó)內(nèi)大型三甲醫(yī)院比較常用的EEG設(shè)備以進(jìn)口品牌為主，常見的放大器品牌包括日本Nihon Kohden、美國(guó)Nicolet、意大利Micromed等，目前也有很多國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)EEG儀，其中以北京云深科技、北京新拓、上海海神、成都智能、南京偉思等為代表，但國(guó)產(chǎn)EEG放大器的綜合性能還是略低于國(guó)外的品牌。

1.1 國(guó)外腦電系統(tǒng)硬件方面的研究狀況

由于臨床上應(yīng)用的各品牌放大器技術(shù)指標(biāo)會(huì)涉及醫(yī)療儀器廠家的商業(yè)機(jī)密，我們僅就科研領(lǐng)域的放大器做討論，國(guó)外品牌中以美國(guó)NeuroScan公司SynAmps 2放大器的綜合性能最佳，其輸入阻抗、帶寬、精度、采樣率、A/D位數(shù)均相對(duì)較高，共模抑制比較Brain Products 公司DC放大器的相對(duì)偏低。NeuroScan公司網(wǎng)站和放大器產(chǎn)品說(shuō)明書上的資料顯示，它的放大器具有DC和AC兩種工作模式，在使用時(shí)需要進(jìn)行AC/DC模式選擇，如果選擇AC模式，必須通過(guò)濾波器濾除原始腦電信號(hào)中的直流漂移，直流漂移會(huì)造成信號(hào)缺失[8]，損失腦電信號(hào)中的低頻成分，此模式下腦電信號(hào)精度較高。如果選擇DC模式，腦電信號(hào)的精度會(huì)下降，放大器可以通過(guò)降低放大倍數(shù)，提高A/D的參考電壓范圍，這樣可避免原始信號(hào)中較大的直流漂移造成的信號(hào)失真。在DC模式下由于放大倍數(shù)偏小會(huì)導(dǎo)致共模抑制比偏低，在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中需要濾除共模信號(hào)，導(dǎo)致破壞信號(hào)自身的頻率特性，使此模式下腦電信號(hào)的精度下降[6-7]。

盡管各個(gè)國(guó)外放大器廠家標(biāo)注的帶寬為0至數(shù)百赫茲，但事實(shí)上，由于在腦電采集過(guò)程中存在很大的直流漂移，如果不濾除直流漂移，很容易造成放大器工作在飽和狀態(tài)，因此，放大器的帶寬很難實(shí)現(xiàn)低端為直流。所以很多廠家會(huì)在放大器中設(shè)置濾除直流漂移的高通濾波器，一般都將高通濾波器的截止頻率設(shè)置在0.5 Hz[6]。同時(shí)由于在利用腦電信號(hào)進(jìn)行腦功能成像研究時(shí)，往往需要多導(dǎo)腦電信號(hào)（從32導(dǎo)到128導(dǎo)、256導(dǎo)乃至512導(dǎo)），所以需要采集的數(shù)據(jù)量急劇增加，為克服數(shù)據(jù)量增加對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，廠家往往會(huì)降低采樣頻率。一般情況下采用256、512、1024 Hz的采集頻率，很少采用1024 Hz以上的采樣頻率。根據(jù)耐奎斯特采樣定律可知在使用512 Hz采樣頻率時(shí)，理論上最高可以采集到256 Hz以下的信號(hào)。實(shí)際中只能采集100 Hz左右的信號(hào)。而256 Hz的采樣頻率采集到的信號(hào)最大頻率只能在50 Hz左右。大多數(shù)廠家生產(chǎn)的EEG采集系統(tǒng)均將其采集有效帶寬設(shè)置于0.5～50 Hz[9]。大多數(shù)廠家的腦電采集系統(tǒng)使用這個(gè)帶寬范圍，除了上述采集技術(shù)的限制外，還因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的腦電研究中認(rèn)為人類腦電信號(hào)的頻率范圍主要分布在0.5～50 Hz，而這個(gè)范圍外的信號(hào)都可以看做是無(wú)用信號(hào)或者干擾信號(hào)[6-7]。

然而，持續(xù)近50年的EEG概念正在被逐漸挖掘和更新。數(shù)字化EEG實(shí)質(zhì)上將EEG從以往的曲線圖形轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ａ康臄?shù)字信息，這種數(shù)字信息更加接近腦內(nèi)細(xì)胞電活動(dòng)的本質(zhì)，可以通過(guò)信號(hào)分析、深度運(yùn)算等信號(hào)后處理方式，例如：高頻（超高頻）活動(dòng)、極低頻活動(dòng)、局部場(chǎng)電位、時(shí)頻分析、相關(guān)性分析等信號(hào)處理、分析方法，展示神經(jīng)電活動(dòng)自身的特點(diǎn)，及其與其他腦區(qū)神經(jīng)電活動(dòng)的內(nèi)在關(guān)系，這也是目前研究大腦功能活動(dòng)的一個(gè)重要方式和工具。值得關(guān)注的是，EEG低頻信號(hào)越來(lái)越受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，對(duì)未成熟腦、癲癇發(fā)作和各種認(rèn)知任務(wù)下腦狀態(tài)進(jìn)行的研究顯示，生理性和病理性腦電信號(hào)頻率可以低至0.01 Hz，高至數(shù)百赫茲[10-12]。在Gamma波同步的研究中，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)頻率在數(shù)百赫茲的腦電信號(hào)與人類的認(rèn)知功能有極其緊密的關(guān)系[6]。在近年的靜息態(tài)腦功能成像研究中，0.01～0.08 Hz的血氧水平依賴性功能磁共振 （functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）信號(hào)為研究者們提供了大量重要的信息[13-14]，因此，采集可靠的腦電低頻信息，對(duì)基于腦電與fMRI信息融合的認(rèn)知研究，有非常重要的意義?；谶@些有關(guān)EEG信號(hào)頻率和帶寬的研究，學(xué)者們逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的EEG采集系統(tǒng)已不能滿足日新月異的科研工作，急需發(fā)展新型的全頻段EEG采集系統(tǒng)[6-7,15]。

1.2 國(guó)內(nèi)腦電系統(tǒng)硬件方面的研究狀況

國(guó)內(nèi)目前也有大量的公司和學(xué)校在生產(chǎn)或研發(fā)腦電放大器等產(chǎn)品，其中以北京新拓、南京偉思、上海海神、成都智能等為代表。通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)所研制的系統(tǒng)在采樣頻率、轉(zhuǎn)換精度、共模抑制比以及輸入阻抗等方面都有較大的差距。而這些參數(shù)對(duì)于腦電采集來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)的很多腦電放大器不能滿足高級(jí)認(rèn)知研究中的高精度需求，大多只能用于一般臨床的輔助檢測(cè)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和國(guó)際地位的逐漸提高，國(guó)際交流日益頻繁，使得國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域所能使用的電子元器件與國(guó)外的情況相比，已經(jīng)沒(méi)有明顯的差距。

2 EEG臨床采集技能培訓(xùn)的緊迫性和重要性

近年來(lái)，隨著癲癇診斷治療的蓬勃發(fā)展，EEG專業(yè)技術(shù)人才的缺口愈發(fā)明顯，電生理專業(yè)人才培養(yǎng)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[16]。至今，我國(guó)的醫(yī)科院校中很少有設(shè)立臨床腦電圖學(xué)這門專業(yè)課程，且目前尚未建立完善的EEG專業(yè)人員培訓(xùn)機(jī)構(gòu)及制度，很多醫(yī)學(xué)生、臨床醫(yī)生及技術(shù)人員都是步入專業(yè)臨床科室后才有機(jī)會(huì)接觸到EEG及其相關(guān)的知識(shí)，這種狀況造成了臨床醫(yī)生和電生理技師EEG專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)薄弱，不能有效地依據(jù)EEG結(jié)果指導(dǎo)臨床治療[17-18]。針對(duì)臨床醫(yī)生和技術(shù)人員這種“零起步”的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，我們根據(jù)在本中心接受培訓(xùn)的醫(yī)學(xué)生、臨床醫(yī)生以及神經(jīng)電生理專業(yè)技術(shù)人員的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，初步總結(jié)了一些EEG臨床采集技能的有效培訓(xùn)方法與同仁一起探討、提高。

3 技能入門的幾個(gè)階段

EEG“零基礎(chǔ)”的學(xué)員在首次接觸EEG時(shí)往往一頭霧水，此時(shí)可引導(dǎo)每位學(xué)員依次進(jìn)行以下四個(gè)階段的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

（1）理論學(xué)習(xí)。在臨床實(shí)際接觸EEG之前，鼓勵(lì)每位學(xué)員自學(xué)了解EEG的基本知識(shí)和基礎(chǔ)理論，可以通過(guò)閱讀《腦電圖判讀step by step》[19]和中國(guó)抗癲癇協(xié)會(huì)出版的《臨床腦電圖培訓(xùn)教程》[20]兩本入門級(jí)參考書對(duì)EEG的概念有初步掌握。在初步學(xué)習(xí)的階段，需要對(duì)EEG的電生理學(xué)基礎(chǔ)、EEG儀器使用及參數(shù)調(diào)節(jié)、EEG導(dǎo)聯(lián)和記錄方法、EEG的基本概念有所了解。

（2）操作實(shí)踐。每位學(xué)員都必須了解并掌握EEG監(jiān)測(cè)的完整操作過(guò)程，且必須練習(xí)獨(dú)立完成國(guó)際10-20系統(tǒng)頭皮EEG的電極安放[21]。每個(gè)電極需根據(jù)顱骨標(biāo)志的測(cè)量加以確定，盡可能與頭顱的大小和形狀成比例，同時(shí)每個(gè)電極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的大腦皮層位置必須牢記于心。親手安裝電極的過(guò)程有助于更直接地發(fā)現(xiàn)EEG監(jiān)測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的偽跡，利于辨認(rèn)。除了電極安放，學(xué)員還應(yīng)熟悉全部的EEG監(jiān)測(cè)過(guò)程，包括：導(dǎo)聯(lián)的排列、EEG誘發(fā)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)過(guò)程中的注意事項(xiàng)、鎮(zhèn)定藥物對(duì)EEG的影響等。

（3）理論結(jié)合實(shí)踐。這個(gè)階段的培訓(xùn)重點(diǎn)是穩(wěn)扎穩(wěn)打，把基礎(chǔ)打牢，后期才能循序漸進(jìn)地提高閱圖水平。培訓(xùn)步驟可按照：正常EEG的識(shí)別→異常EEG的識(shí)別→偽差識(shí)別的順序展開。只有先熟悉了正常EEG波形，才能甄別出癲癇患者的異常腦電波。然而異常EEG在不同發(fā)作類型和不同神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的表現(xiàn)往往不同，有些發(fā)作類型具有典型的放電形式，例如：失神發(fā)作、痙攣發(fā)作、強(qiáng)直發(fā)作、肌陣攣發(fā)作等等。在臨床中親自看到各種發(fā)作類型之前，最好的方法是認(rèn)真閱讀經(jīng)典的EEG圖譜及相關(guān)參考書，可見參閱《臨床腦電圖學(xué)》[22]《小兒腦電圖圖譜》[23]《癲癇：發(fā)作和綜合征的診斷與治療》[24]等非常經(jīng)典的自學(xué)書籍。在判讀EEG時(shí)，對(duì)偽差的識(shí)別絕對(duì)不可忽視，有時(shí)候在EEG的記錄過(guò)程中，很多偽差是不可避免的，例如：肌電、眼動(dòng)、心電等干擾信號(hào)比腦電信號(hào)強(qiáng)很多，如果試圖以濾波的方法剔除所有偽差，可能會(huì)造成腦電信號(hào)的丟失，導(dǎo)致腦電波形失真。

（4）經(jīng)驗(yàn)積累與學(xué)習(xí)提高。學(xué)好EEG沒(méi)有捷徑可走，多閱讀臨床上有經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)電生理醫(yī)師出具的EEG報(bào)告，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)答疑解惑[25]。此外，積極參加臨床病例討論，學(xué)習(xí)EEG醫(yī)生和臨床醫(yī)生判讀EEG的思路和方法，進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，提升自身的EEG閱圖水平。學(xué)員還可以登錄中國(guó)抗癲癇協(xié)會(huì)的網(wǎng)站，到網(wǎng)上的EEG學(xué)院中學(xué)習(xí)EEG基礎(chǔ)課程和EEG專題講座。網(wǎng)絡(luò)課程利用多媒體技術(shù)的綜合處理和控制，把文本、圖形、圖像、視頻和聲音等承載的內(nèi)容結(jié)合在一起，更有利于學(xué)生接受和掌握[3,26-28]。此外，學(xué)員還可利用業(yè)余時(shí)間參加與EEG相關(guān)的培訓(xùn)、講座和會(huì)議，聆聽各地區(qū)有豐富經(jīng)驗(yàn)的電生理專家們?cè)诎d癇診斷、治療和EEG閱圖上的經(jīng)驗(yàn)和見解。

4 視頻腦電圖的學(xué)習(xí)特點(diǎn)

數(shù)字化的視頻腦電圖（Video EEG，VEEG）為醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)EEG帶來(lái)許多便利條件。首先，需要熟練掌握視頻EEG儀的使用，相比于舊時(shí)走紙型EEG儀，在VEEG儀的操作界面上可以更加直觀地看到腦電波形在不同參數(shù)調(diào)節(jié)下所發(fā)生的變化，屏幕上直接顯示高通濾波、低通濾波、靈敏度、走紙速度等放大器參數(shù)的調(diào)節(jié)效果，將教科書上的理論和操作實(shí)踐完美地結(jié)合，更加深入理解放大器參數(shù)的作用和意義。其次，在電腦上，學(xué)習(xí)者可以親自動(dòng)手排列導(dǎo)聯(lián)，觀察單極導(dǎo)聯(lián)、雙極導(dǎo)聯(lián)、環(huán)形導(dǎo)聯(lián)之間的區(qū)別和各自顯示特點(diǎn)。便于日后針對(duì)不同部位的病灶選擇最佳的閱讀導(dǎo)聯(lián)方式。再次，VEEG在鑒別偽差方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，只要接上心電導(dǎo)聯(lián)，就可以輕松排除。然而，很多時(shí)候肌電偽差不容易判定，如果打開與異常波出現(xiàn)時(shí)間一致的同步視頻，就能對(duì)偽差的來(lái)源一目了然，常規(guī)無(wú)視頻EEG和便攜式EEG都無(wú)法輕易排除這類肌電偽差。而且，VEEG本身就是最佳的多媒體教學(xué)工具，我們可以反復(fù)回放每次發(fā)作時(shí)的EEG，不僅可以精確分析每一個(gè)發(fā)作過(guò)程中的細(xì)微動(dòng)作及其對(duì)應(yīng)的EEG變化，給臨床診斷癲癇及外科致癇灶的精準(zhǔn)定位提供直接幫助，還可以將典型或特殊的癲癇病例或發(fā)作情況直接轉(zhuǎn)錄出來(lái)，應(yīng)用于臨床教學(xué)或病例交流討論，非常便于大家反復(fù)自學(xué)典型或特殊的EEG或與同仁分享自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外EEG采集技術(shù)做了簡(jiǎn)要的概述，并分析了腦電系統(tǒng)在硬件方面仍面臨濾除直流漂移的問(wèn)題，使讀者們對(duì)國(guó)內(nèi)外EEG采集技術(shù)有了一定認(rèn)識(shí)，此外，本文幫助EEG“零基礎(chǔ)”的學(xué)員總結(jié)出一套臨床采集技能的學(xué)習(xí)技巧，并詳細(xì)探討了VEEG的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。按照本研究總結(jié)的培訓(xùn)步驟和方法，可以比較快速和全面的掌握EEG的操作、閱讀和臨床診斷，使學(xué)習(xí)者在逐步掌握腦電采集知識(shí)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)腦電采集技術(shù)的規(guī)律和臨床應(yīng)用價(jià)值。隨著腦電采集設(shè)備性能的逐漸優(yōu)化、電信號(hào)分析能力的逐步提升，癲癇外科與腦科學(xué)研究定會(huì)同步發(fā)展，未來(lái)的腦電采集設(shè)備不但可以實(shí)現(xiàn)全頻段采集，還可以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)采集和腦電信號(hào)定量分析，不僅可以全面地滿足臨床需求，還會(huì)成為揭示腦功能變化的重要窗口。