數(shù)字化腦電圖儀參數(shù)解讀

殷全喜

數(shù)字化腦電圖在輸入盒已將腦波信號(hào)數(shù)字化，數(shù)據(jù)不易受外界噪音的影響。腦波數(shù)據(jù)是由每一個(gè)電極和系統(tǒng)參考電極差分放大所產(chǎn)生的，可以重新配置導(dǎo)聯(lián)組合。各種參數(shù)調(diào)節(jié)功能可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。腦波數(shù)據(jù)以電子文件形式保存，具有無(wú)紙、存儲(chǔ)方便等諸多優(yōu)越性，由于其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前數(shù)字化腦電圖正在迅速取代傳統(tǒng)的腦電圖儀器而在臨床廣泛普及。了解和熟知數(shù)字腦電圖儀的硬件參數(shù)，對(duì)于每一位腦電圖專業(yè)技術(shù)人員都是非常重要的。筆者參閱了一些有關(guān)硬件參數(shù)這方面的資料[1-6]，現(xiàn)總結(jié)如下。

1 差分放大器

差分放大器是能把兩個(gè)輸入電壓的差值加以放大的電路，也稱差動(dòng)放大器。這是一種零點(diǎn)漂移很小的直接耦合放大器，在差分放大器的正負(fù)輸入端的柵極 1(G 1)和 柵極2(G 2)同時(shí)輸入一個(gè)相同的電壓信號(hào)(同相輸入)時(shí)，則輸出幾乎為0。在正負(fù)輸入端輸入2個(gè)不同的電壓信號(hào)(差分輸入)時(shí)，使用差分放大器可以消除同相成分的噪聲，使其差分放大后同相成分的雜音被抑制、腦波被放大。通過(guò)多級(jí)連續(xù)的電壓放大，將微弱的腦電信號(hào)放大數(shù)百萬(wàn)倍。

2 共模抑制比 (CMRR)

為了說(shuō)明差分放大電路抑制共模信號(hào)及放大差模信號(hào)的能力，將常用共模抑制比作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量，其定義為放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)(用Ad表示)與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)(用Ac表示)之比，即：CMRR=Ad/Ac，稱為共模抑制比，單位是分貝dB。差模信號(hào)電壓放大倍數(shù)Ad越大，共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)Ac越小，則CMRR越大。此時(shí)差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)，放大器的性能越優(yōu)良。即共模抑制比越大，表示非同相成分(腦波信號(hào))與同相成分(雜音)的比也越大。也就是說(shuō)同相信號(hào)的衰減程度越大，則意味著差分放大器的性能越好，CMRR應(yīng)≥105 dB，同相成分的雜音可減少到原雜音信號(hào)的1/180 000。即1 000 mV的同相雜音可衰減為5.5 μV。

3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器)。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中,這些過(guò)程有些是合并進(jìn)行的。A/D對(duì)模擬信號(hào)的分辨能力，由它確定能被A/D辨別的最小模擬量變化。目前數(shù)字腦電圖所使用的A/D轉(zhuǎn)換器多是12～16 bit的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換的分辨率=參考電壓/(總元素-1)。當(dāng)A/D為16位，總元素=65536(216)，取參考電壓5 mV(5 000 μV)時(shí)，分辨率=5 000/(65536-1)= 0.076 29 μV；當(dāng)A/D為12位時(shí)，取參考電壓5 mV時(shí)，分辨率=50 00/(212-1)=1.22 10 μV。故A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越大，其分辨率也越高。

4 振幅方向的離散化

亦稱量子化。以一定的時(shí)間間隔對(duì)一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，并將每個(gè)采樣值(信號(hào)的振幅值)轉(zhuǎn)換成一些離散性的數(shù)值，這個(gè)過(guò)程通常稱為量子化。對(duì)一個(gè)輸入信號(hào)究竟能夠以多小的值進(jìn)行量子化，取決于A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。N位的A/D轉(zhuǎn)換器，量子化的最小刻度為最大振幅(A/D轉(zhuǎn)換的最大電壓輸入范圍)除以2N。例如：①使用一個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)一個(gè)±500 μV的輸入信號(hào)進(jìn)行量子化時(shí)，量子化的刻度為輸入信號(hào)范圍1 000 μV除以216=65536,即輸入信號(hào)的最大振幅值可分為65 536等份,每份的電壓是0.015 μV;②12位的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)一個(gè)±500 μV的輸入信號(hào)進(jìn)行量子化時(shí)，量子化的刻度為輸入信號(hào)范圍1 000 μV除以4 096(212)，即輸入信號(hào)的最大振幅值可分為4 096等份,每份的電壓是0.2441 μV。所以，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，得到的波形越平滑，但保存的數(shù)據(jù)量越多。

5 采樣及采樣率

采樣亦稱時(shí)間方向的離散化。數(shù)字化腦電圖記錄的核心是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其按照一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣(A/D轉(zhuǎn)換)，然后再將這些點(diǎn)連接成曲線圖。如果采樣頻率增高，可以更加細(xì)致、更加精確地再現(xiàn)波形，但保存的數(shù)據(jù)量也隨之增多。如果采樣頻率降低，保存的數(shù)據(jù)量減少，但可再現(xiàn)的波形的頻率成分也隨之降低。采樣頻率至少為模擬信號(hào)最高頻率的2倍，稱為Nyquist頻率限制。才能精確地再現(xiàn)原來(lái)的模擬信號(hào)。最高頻率為50 Hz時(shí)，采樣頻率為100 Hz即可。但是實(shí)際描記的頻率一般僅為采樣頻率的1/3～1/4。要想記錄到60 Hz不失真的腦電波，采樣頻率應(yīng)采用200 Hz，若使用500 Hz的采樣頻率，120 Hz及以下頻率的腦波不會(huì)失真，顯然，滿足腦電圖臨床需求的采樣頻率應(yīng)該≥200 Hz。

6 快速傅里葉變換(FFT)

是離散傅氏變換的快速算法，是對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變換的理論并沒(méi)有新的發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說(shuō)是進(jìn)了一大步。離散傅里葉變換的快速算法,產(chǎn)生的結(jié)果實(shí)數(shù)部分是頻譜,虛數(shù)部分為相位。采用這種算法能使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少,特別是被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多,FFT算法計(jì)算量的節(jié)省就越明顯。傅里葉變換的前提是平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。由于對(duì)于非平穩(wěn)隨機(jī)的腦電信號(hào),不滿足絕對(duì)可積與能量可積的條件,所以通常用功率譜來(lái)描述。

7 輸入阻抗

輸入阻抗是指一個(gè)電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個(gè)電壓源U，測(cè)量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個(gè)電阻的兩端，這個(gè)電阻的阻值，就是輸入阻抗。對(duì)于電壓驅(qū)動(dòng)的電路，輸入阻抗越大，則對(duì)電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)信號(hào)源有影響;而對(duì)于電流驅(qū)動(dòng)型的電路，輸入阻抗越小，則對(duì)電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為:如果是用電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則輸入阻抗越大越好;如果是用電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，則阻抗越小越好(注:只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問(wèn)題)。另外如果要獲取最大輸出功率時(shí)，也要考慮阻抗匹配問(wèn)題。

8 電極阻抗

通過(guò)頭皮或腦與電極之間的相反流向的交流控制，測(cè)量成對(duì)電極之間或一個(gè)電極與眾多電極之間平行連接的電極阻值。計(jì)算單位：歐姆，腦電圖上一般為千歐姆(kΩ)。

9 極性規(guī)定

國(guó)際腦電圖學(xué)會(huì)技術(shù)用語(yǔ)委員會(huì)協(xié)議規(guī)定，在腦電圖機(jī)差分放大器的輸入端1對(duì)同一放大器的輸入端2為相對(duì)的負(fù)性時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向上的筆偏斜。輸入端1對(duì)同一放大器的輸入端2為相對(duì)的正性時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向下的筆偏斜。這種解釋與某些其他生物學(xué)和非生物學(xué)(如電工學(xué)、物理學(xué)等)領(lǐng)域中的極性解釋相反，后者稱向上偏斜的波為正性波,而稱向下的波為負(fù)性波。

10 信/噪比(SNR)

是指信號(hào)功率與噪音功率的比值。被放大的信號(hào)越微弱,所要求的信/噪比越大。如果腦電放大器輸入端的噪音達(dá)到100 μV以上,腦電波將被淹沒(méi)在噪音之中無(wú)法分辨。當(dāng)噪音水平超過(guò)2 μV時(shí),與腦電圖的低電壓活動(dòng)不易區(qū)分,這一點(diǎn)在判斷電靜息和腦死亡時(shí)特別重要。因此,一般要求腦電圖儀器的噪音水平不得高于2 μV。

11 極化

由于化學(xué)變化而在金屬電極上產(chǎn)生的電荷積累，這種逐漸形成的積累，具有直流電作用，經(jīng)放大后，可產(chǎn)生大幅度的基線緩慢移動(dòng)偽差。消除方法：將新電極或使用已久的電極，除去包被的紗布，用去污粉輕拭表面污垢，然后將電極浸入氯化鈉飽和溶液中， 進(jìn)行去極化處理。

12 靈敏度

即在一個(gè)腦電圖放大器中，輸入電壓對(duì)輸出筆偏斜的比率。靈敏度的測(cè)量單位是每毫米相當(dāng)于若干微伏，通常以毫米 / 微伏(mm/μV 或μV/mm)方式表示。靈敏度=輸入電壓/ 輸出筆偏斜 =50 μV/5 mm，即每毫米的高度為10 μV。

13 時(shí)間分辨率

傳統(tǒng)模擬信號(hào)腦電圖對(duì)腦波的時(shí)間分辨率是通過(guò)改變紙速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即紙速越快，時(shí)間分辨率越高， 標(biāo)準(zhǔn)紙速為 30 mm/s。 數(shù)字化腦電圖儀的時(shí)間分辨率是通過(guò)改變每屏顯示的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常規(guī)一般顯示每屏10 s。可以調(diào)整屏顯參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加或減少時(shí)間分辨率。

14 波幅分辨率

亦稱為動(dòng)態(tài)范圍。是指在腦波最大偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)對(duì)電壓改變的最小垂直分辨率，分辨率越高，越能反映高電壓信號(hào)。動(dòng)態(tài)范圍用二進(jìn)制對(duì)數(shù)單位比特(bit)表示。比特值越大，分辨的電壓差越小。第一代數(shù)字化腦電圖儀的動(dòng)態(tài)范圍一般是6比特，第二代為8～12比特，現(xiàn)在的儀器已經(jīng)發(fā)展到12～16比特，可顯示4 000 μV的超高振幅腦電活動(dòng)。

15 高通濾波器

亦稱為低頻濾波器或時(shí)間常數(shù)(TC)。當(dāng)輸出端的電壓下降到距離基線 37% 時(shí)所需用的時(shí)間稱為 TC。它是一種允許高頻成分通過(guò)，而濾掉低頻成分的設(shè)置。當(dāng)TC=1、0.3、0.1、0.03 s 時(shí)，明顯衰減的頻率分別是 0.15 Hz、0.5 Hz、1.5 Hz和5 Hz。

16 低通濾波器

亦稱高頻濾波器。腦電圖機(jī)放大器中，用以衰減訊號(hào)中的高頻成分而允許低頻成分通過(guò)的電路。該電路設(shè)置即腦電圖機(jī)中的“濾波” 選擇。例如：HF=30，則明顯衰減 30 Hz 以上的高頻電活動(dòng)(包括50 Hz交流電)，HF=15，則明顯衰減15 Hz以上的電活動(dòng)，常規(guī)描記HF應(yīng)選用70 Hz。

17 陷波濾波

亦稱交流濾波。指有選擇地衰減某一頻率的信號(hào)。假設(shè)腦電波形受到市電50 Hz嚴(yán)重干擾，開(kāi)啟50 Hz陷波濾波器，濾波后可以消除50 Hz交流電干擾，得到清晰的波形。

18 定標(biāo)(CAL)

亦稱標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量。用以測(cè)試儀器各通道(筆)的放大性能和決定其比例的高度，通過(guò)測(cè)試和調(diào)整，使全部腦電筆導(dǎo)，處于相同條件下記錄的必不可少的措施，以保證儀器各通道在瞬間記錄的腦波不失真地同步描記。通常將毫米(mm) 折算為微伏(μV)，例如矩形波的高度為 5 mm 即 50 μV。

19 定標(biāo)電壓

亦稱標(biāo)準(zhǔn)電壓。腦電圖儀中內(nèi)裝的供給各筆(通道)輸入一個(gè)額定高度的矩形脈沖訊號(hào)，以控制和校正各筆(通道)的靈敏度和放大性能。一般分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種輸出方式。全部筆(通道)控制的開(kāi)關(guān)，常見(jiàn)的分為 10、20、50、100、200、500和1 000 μV，其中1 000 μV(即1 mV)多用于附加的心電圖記錄。

20 參考電極

系統(tǒng)參考電極應(yīng)選用那些不容易因體動(dòng)等外界因素而受到干擾的電極。最好同時(shí)使用2個(gè)部位的電極。有的實(shí)驗(yàn)使用C3和C4的平均電位作為系統(tǒng)參考電位,系統(tǒng)參考電位：(C3+C4)/2=Vref。系統(tǒng)參考電極導(dǎo)聯(lián)配置的作用：在腦波記錄時(shí)，為了檢查各電極的放大器是否正常。通常使用各電極與系統(tǒng)參考電極的導(dǎo)聯(lián)配置記錄10 s以上的腦波，以觀察是否一致。

21 Z電極

Z電極亦稱中性電極。使用差分放大器對(duì)腦波信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，一般在差分放大器的正、負(fù)端連接2個(gè)腦電電極。但每個(gè)電極還必須有一個(gè)參考點(diǎn)。模擬腦電圖的參考點(diǎn)為地，通常使用接地電極。數(shù)字腦電圖規(guī)定需要的參考點(diǎn)必須使用安裝在身體表面的電極。該電極通常稱為Z電極。另外，從系統(tǒng)參考電極信號(hào)中檢測(cè)出的同相信號(hào)，也是通過(guò)Z電極反饋到參考點(diǎn)，由此消除同相成分的噪聲。Z電極一般裝在前額部。如果Z電極不連接，則不能有效地排出噪音的干擾，使之無(wú)法記錄穩(wěn)定的腦波波形，因此必須安裝Z電極。