腦電圖采集技術現狀及臨床采集基本技能

周曉霞，遇濤，張鑫，張國君，杜薇，李勇杰

1.首都醫科大學宣武醫院 功能神經外科，北京市功能神經外科研究所，北京 100053；2.中國科學院自動化研究所 腦網絡組研究中心，北京 100190

引言

腦電圖（Electroencephalography，EEG）是通過醫用電極記錄下來的腦細胞群的自發性、節律性電活動[1-2]。通常提到的EEG是指頭皮EEG，實際上是頭皮電位差與時間之間的關系圖。EEG是評價腦功能狀態的一個敏感指標，現已廣泛應用于中樞神經系統疾病及精神性疾病的診斷，也用于心理學和認知科學等領域的研究[3]。盡管高分辨率的解剖和功能成像技術發展日新月異，但在癲癇的診斷和治療中EEG始終是其他無創檢查無法替代的重要檢查工具[4]。與各種影像學檢查相比，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鍵指標，目前關于腦電設備的研究相對較少，而腦電設備采集和使用對科研和臨床應用上又至關重要，本文旨在介紹腦電采集技術的國內外現狀，并幫助零基礎的腦電人員初步掌握這門技術。

1 腦電采集技術的國內外現狀

當前，應用于臨床監測的視頻EEG儀品牌繁多，就科研領域而言，國外的腦電采集系統主要包括美國EGI公司、NeuroScan公司和德國Brain Products公司，以上三個品牌的EEG儀采集精度都相對較高[6-7]，因此廣泛應用在認知科學研究領域。就臨床監測而言，國內大型三甲醫院比較常用的EEG設備以進口品牌為主，常見的放大器品牌包括日本Nihon Kohden、美國Nicolet、意大利Micromed等，目前也有很多國內公司生產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，但國產EEG放大器的綜合性能還是略低于國外的品牌。

1.1 國外腦電系統硬件方面的研究狀況

由于臨床上應用的各品牌放大器技術指標會涉及醫療儀器廠家的商業機密，我們僅就科研領域的放大器做討論，國外品牌中以美國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位數均相對較高，共模抑制比較Brain Products 公司DC放大器的相對偏低。NeuroScan公司網站和放大器產品說明書上的資料顯示，它的放大器具有DC和AC兩種工作模式，在使用時需要進行AC/DC模式選擇，如果選擇AC模式，必須通過濾波器濾除原始腦電信號中的直流漂移，直流漂移會造成信號缺失[8]，損失腦電信號中的低頻成分，此模式下腦電信號精度較高。如果選擇DC模式，腦電信號的精度會下降，放大器可以通過降低放大倍數，提高A/D的參考電壓范圍，這樣可避免原始信號中較大的直流漂移造成的信號失真。在DC模式下由于放大倍數偏小會導致共模抑制比偏低，在數字信號處理過程中需要濾除共模信號，導致破壞信號自身的頻率特性，使此模式下腦電信號的精度下降[6-7]。

盡管各個國外放大器廠家標注的帶寬為0至數百赫茲，但事實上，由于在腦電采集過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，因此，放大器的帶寬很難實現低端為直流。所以很多廠家會在放大器中設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置在0.5 Hz[6]。同時由于在利用腦電信號進行腦功能成像研究時，往往需要多導腦電信號（從32導到128導、256導乃至512導），所以需要采集的數據量急劇增加，為克服數據量增加對系統穩定性產生的影響，廠家往往會降低采樣頻率。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。根據耐奎斯特采樣定律可知在使用512 Hz采樣頻率時，理論上最高可以采集到256 Hz以下的信號。實際中只能采集100 Hz左右的信號。而256 Hz的采樣頻率采集到的信號最大頻率只能在50 Hz左右。大多數廠家生產的EEG采集系統均將其采集有效帶寬設置于0.5～50 Hz[9]。大多數廠家的腦電采集系統使用這個帶寬范圍，除了上述采集技術的限制外，還因為在傳統的腦電研究中認為人類腦電信號的頻率范圍主要分布在0.5～50 Hz，而這個范圍外的信號都可以看做是無用信號或者干擾信號[6-7]。

然而，持續近50年的EEG概念正在被逐漸挖掘和更新。數字化EEG實質上將EEG從以往的曲線圖形轉變為海量的數字信息，這種數字信息更加接近腦內細胞電活動的本質，可以通過信號分析、深度運算等信號后處理方式，例如：高頻（超高頻）活動、極低頻活動、局部場電位、時頻分析、相關性分析等信號處理、分析方法，展示神經電活動自身的特點，及其與其他腦區神經電活動的內在關系，這也是目前研究大腦功能活動的一個重要方式和工具。值得關注的是，EEG低頻信號越來越受到學者們的廣泛關注，對未成熟腦、癲癇發作和各種認知任務下腦狀態進行的研究顯示，生理性和病理性腦電信號頻率可以低至0.01 Hz，高至數百赫茲[10-12]。在Gamma波同步的研究中，學者們發現頻率在數百赫茲的腦電信號與人類的認知功能有極其緊密的關系[6]。在近年的靜息態腦功能成像研究中，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，對基于腦電與fMRI信息融合的認知研究，有非常重要的意義。基于這些有關EEG信號頻率和帶寬的研究，學者們逐漸意識到傳統的EEG采集系統已不能滿足日新月異的科研工作，急需發展新型的全頻段EEG采集系統[6-7,15]。

1.2 國內腦電系統硬件方面的研究狀況

國內目前也有大量的公司和學校在生產或研發腦電放大器等產品，其中以北京新拓、南京偉思、上海海神、成都智能等為代表。通過對比國內外現狀，可以發現我國所研制的系統在采樣頻率、轉換精度、共模抑制比以及輸入阻抗等方面都有較大的差距。而這些參數對于腦電采集來說都是至關重要的，導致目前國內的很多腦電放大器不能滿足高級認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。隨著我國經濟水平和國際地位的逐漸提高，國際交流日益頻繁，使得國內在該領域所能使用的電子元器件與國外的情況相比，已經沒有明顯的差距。

2 EEG臨床采集技能培訓的緊迫性和重要性

近年來，隨著癲癇診斷治療的蓬勃發展，EEG專業技術人才的缺口愈發明顯，電生理專業人才培養是關鍵環節[16]。至今，我國的醫科院校中很少有設立臨床腦電圖學這門專業課程，且目前尚未建立完善的EEG專業人員培訓機構及制度，很多醫學生、臨床醫生及技術人員都是步入專業臨床科室后才有機會接觸到EEG及其相關的知識，這種狀況造成了臨床醫生和電生理技師EEG專業基礎知識薄弱，不能有效地依據EEG結果指導臨床治療[17-18]。針對臨床醫生和技術人員這種“零起步”的學習現狀，我們根據在本中心接受培訓的醫學生、臨床醫生以及神經電生理專業技術人員的學習經驗，初步總結了一些EEG臨床采集技能的有效培訓方法與同仁一起探討、提高。

3 技能入門的幾個階段

EEG“零基礎”的學員在首次接觸EEG時往往一頭霧水，此時可引導每位學員依次進行以下四個階段的系統學習。

（1）理論學習。在臨床實際接觸EEG之前，鼓勵每位學員自學了解EEG的基本知識和基礎理論，可以通過閱讀《腦電圖判讀step by step》[19]和中國抗癲癇協會出版的《臨床腦電圖培訓教程》[20]兩本入門級參考書對EEG的概念有初步掌握。在初步學習的階段，需要對EEG的電生理學基礎、EEG儀器使用及參數調節、EEG導聯和記錄方法、EEG的基本概念有所了解。

（2）操作實踐。每位學員都必須了解并掌握EEG監測的完整操作過程，且必須練習獨立完成國際10-20系統頭皮EEG的電極安放[21]。每個電極需根據顱骨標志的測量加以確定，盡可能與頭顱的大小和形狀成比例，同時每個電極點對應的大腦皮層位置必須牢記于心。親手安裝電極的過程有助于更直接地發現EEG監測過程中出現的偽跡，利于辨認。除了電極安放，學員還應熟悉全部的EEG監測過程，包括：導聯的排列、EEG誘發試驗、監測過程中的注意事項、鎮定藥物對EEG的影響等。

（3）理論結合實踐。這個階段的培訓重點是穩扎穩打，把基礎打牢，后期才能循序漸進地提高閱圖水平。培訓步驟可按照：正常EEG的識別→異常EEG的識別→偽差識別的順序展開。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在不同發作類型和不同神經系統疾病中的表現往往不同，有些發作類型具有典型的放電形式，例如：失神發作、痙攣發作、強直發作、肌陣攣發作等等。在臨床中親自看到各種發作類型之前，最好的方法是認真閱讀經典的EEG圖譜及相關參考書，可見參閱《臨床腦電圖學》[22]《小兒腦電圖圖譜》[23]《癲癇：發作和綜合征的診斷與治療》[24]等非常經典的自學書籍。在判讀EEG時，對偽差的識別絕對不可忽視，有時候在EEG的記錄過程中，很多偽差是不可避免的，例如：肌電、眼動、心電等干擾信號比腦電信號強很多，如果試圖以濾波的方法剔除所有偽差，可能會造成腦電信號的丟失，導致腦電波形失真。

（4）經驗積累與學習提高。學好EEG沒有捷徑可走，多閱讀臨床上有經驗的神經電生理醫師出具的EEG報告，發現問題，及時答疑解惑[25]。此外，積極參加臨床病例討論，學習EEG醫生和臨床醫生判讀EEG的思路和方法，進一步積累經驗，提升自身的EEG閱圖水平。學員還可以登錄中國抗癲癇協會的網站，到網上的EEG學院中學習EEG基礎課程和EEG專題講座。網絡課程利用多媒體技術的綜合處理和控制，把文本、圖形、圖像、視頻和聲音等承載的內容結合在一起，更有利于學生接受和掌握[3,26-28]。此外，學員還可利用業余時間參加與EEG相關的培訓、講座和會議，聆聽各地區有豐富經驗的電生理專家們在癲癇診斷、治療和EEG閱圖上的經驗和見解。

4 視頻腦電圖的學習特點

數字化的視頻腦電圖（Video EEG，VEEG）為醫學生學習EEG帶來許多便利條件。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調節下所發生的變化，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的調節效果，將教科書上的理論和操作實踐完美地結合，更加深入理解放大器參數的作用和意義。其次，在電腦上，學習者可以親自動手排列導聯，觀察單極導聯、雙極導聯、環形導聯之間的區別和各自顯示特點。便于日后針對不同部位的病灶選擇最佳的閱讀導聯方式。再次，VEEG在鑒別偽差方面有著獨特的優勢，只要接上心電導聯，就可以輕松排除。然而，很多時候肌電偽差不容易判定，如果打開與異常波出現時間一致的同步視頻，就能對偽差的來源一目了然，常規無視頻EEG和便攜式EEG都無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工具，我們可以反復回放每次發作時的EEG，不僅可以精確分析每一個發作過程中的細微動作及其對應的EEG變化，給臨床診斷癲癇及外科致癇灶的精準定位提供直接幫助，還可以將典型或特殊的癲癇病例或發作情況直接轉錄出來，應用于臨床教學或病例交流討論，非常便于大家反復自學典型或特殊的EEG或與同仁分享自己的學習經驗。

5 結語

本研究對國內外EEG采集技術做了簡要的概述，并分析了腦電系統在硬件方面仍面臨濾除直流漂移的問題，使讀者們對國內外EEG采集技術有了一定認識，此外，本文幫助EEG“零基礎”的學員總結出一套臨床采集技能的學習技巧，并詳細探討了VEEG的學習特點。按照本研究總結的培訓步驟和方法，可以比較快速和全面的掌握EEG的操作、閱讀和臨床診斷，使學習者在逐步掌握腦電采集知識的過程中，發現腦電采集技術的規律和臨床應用價值。隨著腦電采集設備性能的逐漸優化、電信號分析能力的逐步提升，癲癇外科與腦科學研究定會同步發展，未來的腦電采集設備不但可以實現全頻段采集，還可以實現多模態采集和腦電信號定量分析，不僅可以全面地滿足臨床需求，還會成為揭示腦功能變化的重要窗口。