脑电图与脑电地形图发展简史

脑电图与脑电地形图发展简史 一、脑电图的发展历史 脑不但是支配人的思维和行为,而且也是控制情绪和植物神经功能的最高中枢。能客观地时刻变化的脑机能状态的方法,在脑电图发现以前是没有的。在这以前,要知道中枢神经机能状态的方法只有观察末梢神经对刺激的反应。1791年,L.Galvani发现当肌肉收缩时将有电流的发生,此后,开始认识到脑在活动时亦可能同样有电变化。首先在动物脑记录出电活动的是英国的R.Gaton(1875)。他在家兔、猴的大脑记录到直流电位并认为可能与脑机能有关。同年,俄国B.яЛанилевский用电刺激坐骨神经和用声刺激时记录到狗大脑皮层生物电流。1889年В.φ.Вериго研究了蛙大脑和脊髓的生物电流。他发现,刺激青蛙时在脑内与被刺激肢体相应的部位发现动作电位。后来,波兰的A.Beck(1890)发现用光刺激时,在狗的视觉区皮层可出现较大的电位变动,而如不给光刺激则只有小的电位变动。E.Fleischl.von Marxow(1890)也观察到同样的事实并提出这种电位变动亦可在硬膜上或头颅上记录到。此后, F.Gotch&V.Horseley(1892),A.Beck&H.o.Цыбудский(1892),B.Данидевский(1891),B.E.Дариoнoв (1898),C.A.Tpивус(1900)等亦发表了动物大脑皮层电活动和刺激末梢时的反应,但由于当时受技术上的限制,未能得出可观的成果。在1899年Einthoven发明了性能较好的弦线直流电计以后,心电图的研究有了急速的发展。但心肌收缩时产生的电位可超过1mV,一般不放大亦可驱动弦线直流电计,而脑电活动由于电位很低(50μV左右),如果不放大就不能得到驱动弦线直流电计的足够电流。因此,弦线直流电计被用来研究脑电图是在电子管放大器的技术水平达到实用阶段以后的事情。首先使用弦线直流电计研究脑电活动的是B.B.Д. Hе mинскни(1913)。他指出,刺激狗的坐骨神经时可以记录到皮层活动。H.o. Дьiускни等(1919)用弦线直流电计重复了 A.Beck等研究。 B.B.Д. Hеmинскни(1925)将狗脑的自发性电活动称为大脑电图(electrocerebrogram),并认为有10~15Hz和20~32Hz两种波。这相当于后来H.Berger(1929)大脑电图中所记载的α波和β波。他还发现在动物因失血而呼吸困难时可以发生0.2~1.2Hz的波,这种波后来被称为慢波、δ波等。他当时就认为及电位自发性振动是皮层神经元活动引起的。他还证明了Kaufmann关于经过不损伤颅骨将生物电导入记录仪器的观察。由此可见,Д.Неминский的研究,为将记录生物电的方法用于人,创造了先决条件。 首次发现并精确地描述了人脑电活动的是jena大学精神科教授Hans Berger。他为了解释精神医学的根本问题之一,精神 机能的生物学基础,在1924年开始研究人脑的电活动。他把两根白金针状电极通过头部外伤患者的颅骨缺损部插入大脑皮层,在人脑成功地记录出有规则的电活动。接着证实,这种电活动不需要把电极插入脑内而通过安置在头皮上的电极也同样可以记录到。他首先把正常人在安静、闭眼时主要出现于枕、顶部的10Hz,振幅50μV左右的有规则的波命名为α波。然后发现当被试者在睁眼视物时,α波将消失并出现18~20Hz,20~30μV的波,他把这种快波称为β波。他又把这样的脑电活动总称为脑电图(elektroenkephalogramm)。H.B erger在1924年至1929年间,主要为确认人脑电图的存在而进行了研究,到1929年才发表“关于人脑电图”的论文。此后到1939年之间,以同一标题连续发表了14篇论文,广泛观察和描记了正常人的脑电图以及癫痫、脑瘤和其他精神疾患的脑电图。他认为脑电图的基本所见是:①人脑具有电活动。②这种电活动来自神经细胞。③正常波多少有一些正弦波样的节律,其频率为每秒1~60次,成人则以10Hz为主体。④正常成人在清醒时电活动的最大振幅为100μV,主要振幅为10~50μV。⑤脑电图将受年龄、感觉刺激、疾病、身体的生理学、生化学条件等影响而变化。当他最初发表论文的时候,他的成果并未被多数生理学家或神经病学家所承认。其原因之一是因为当时的生理学家着重于研究末梢神经纤维的电活动,而研究中枢神经系统电活动的学者较少。此外,对脑电 图特性的认识的不同也是原因之一:在脑不大活动时,即闭眼、安静时出现振幅较大的α波,而睁眼即脑在活动时,α波却被控制,Berger 的这种研究结果与当时生理学家的认识,即认为在神经肌肉生理学中电活动与机能在数量上应成平行关系是完全相对立的,因此他所发现的脑电图当时被认为是一种伪差。 但是,在1933年英国的著名生理学家E.D.Adrian重复了H.Berger的工作并承认了他的成果以后情况有了变化。Adrian在当时设备最完整剑桥大学生理学研究室同 B.Mathews一起研究了脑电图,确认了Berger所提出的α波和β波,并提议将α波称为“Berger节律”,但被Berger本人所拒绝。 Berger的有关脑电图的研究被Adrian等人所肯定以后,脑电图的研究有了急速的发展,并被推广到全世界范围。德国有A.E.Kornmuller(1934),美国有H.jasper等人开始研究脑电图。特别是1936年F.A.Gibbs,H,Davis和W.G.Lennox等哈佛学派在癫痫小发作患者发现了3Hz棘慢波综合以后,癫痫脑电图的研究工作有了迅速的发展。另一方面,英国的W.G.W alter(1936)根据脑瘤时慢波的出现部位,提出脑瘤的脑电图定位方法,开展了脑电图临床诊断工作 。 在这个过程中,脑电图描记技术和记录装置都有了很大的改进。最初, 脑电图记录装置没有一定的规格,主要有记纹鼓、电磁示波器、墨水笔记录等,这些只能记录1~2导程的现象。1939年开始出现6导程的墨水笔记录装置,1948年制造出较轻便、有实用价值的8导程脑电图机。现生产的有16、32、64、128等多导程的、性能较好的脑电机,也有小型手提式脑电图机。 脑电图不但在研究方面,而且在诊断癫痫、脑瘤等神经科疾病方面能起一定作用这一事实被认识后,脑电图检查室就广泛被建立在综合医院或神经、精神科医院。脑电图的研究和临床应用方面正有了相当进展时,恰好遇到了第二次世界是大战。战时,脑电图主要被应用于飞行员的挑选工作、头部战伤的诊断、神经官能症和癫痫的鉴别诊断等,在这些方面的研究有了一定的发展。但脑电机的改进方面,由于战争而受到影响。战后由于有了军事电子工业的基础,脑电机的制造技术有了急速的发展。目前世界各国如英、美、日、西德、丹麦、意大利以及东欧国家都有脑电机制造厂,生产出各种有特点的脑电机。除了脑电机外,也生产了脑电图频率自动分析装置。随着电子计算机技术的进步,由1958年起开始生产诱发电位累加器,用它在头皮上电极可以记录出观察人的诱发电位,这是在临床脑电图学历史上方法论的一个划时代的发展。1960年以后有许多这方面的研究报道。 1945年在伦敦召开第一届国际脑电图学会。第二届在巴黎(1949)召开时成立了国际脑电图学会联盟(International Federation of EEG Societies)。通过这样的组织开始有了国际间的脑电图和神经生理学的经验交流,并对脑电图描记技术的统一、脑电机规格的确定、脑电图 医生和技术员的和脑电图术语的统一等,有了一定的贡献。有关脑电图学的国际杂志“脑电图学和临床神经生理学杂志”(The Journal of Electroencepha-lography and Clinical Neurophysiology,简称The EEG Journal)是1949年创刊的。 在国内,解放后脑电图的临床和研究工作有了很大的发展,有关脑电图的报告和数目不断增加。特别是1958年后,国产脑电图机开始进入生产,全国各省市较大医院都建立了脑电图检查室,为广大病员服务。 在国内南京精神病院首先引进脑电图仪,并于1951年对癫痫病人描记出国内第一份脑电图。1955年北京协和医院成立脑电图室,1957年起创办临床脑电图培训班,由冯应琨教授亲自讲学。1958年,北京市宣武医院由日本回国的杨炿林医生专门从事脑电图工作。1962年开始创办脑电图进修班。此后全国各大城市的大医院相继引进脑电图仪和培 训专门从事脑电图的专业人员。60年代末,国产脑电图仪问世,为脑电图普及提供了条件,有关脑电图的书籍也相继出版。如:粟秀初翻译的《实用临床脑电图学》(1955年),张葆樽1959年翻译出版的《临床脑电图学》,刘普和翻译的《脑电图描记法研究技术》(1960年出版)由徐得隆翻译1964年Gastaut.c.c著 的《癫痫临床与脑电图关系》,1974年由北京市神经外科研究所内部印刷的《临床脑电图学》,1980年由冯应琨著的《临床脑电图学》, 1984年黄远桂著《临床脑电图学》等对脑电图的应用发展均起到了积极的作用。在我国神经病学初建阶段,脑电图为神经科疾病的诊断,尤其是癫痫、脑肿瘤、颅内炎症、脑血管疾患、脑外伤等中枢神经系统疾病的诊断起到了哨兵和初筛的作用。80年代开始由于有了CT扫描,CT扫描对颅内病变的诊断确实有了飞跃的进步,CT扫描仪的引进,有的认为脑电图没有更多应用价值,对脑电图的应用有所冷落,但在CT扫描电子技术发展的推动下,应用电子计算机对脑电图进行二次处理,使脑电与电子计算机结合将机能的变化与形态变化相结合,在美国Duff教授于1976年在进行探讨,在日本,松岗成明和上野照岗提出二维内插的方法处理脑电,同时有了专为处理脑电的脑电地形图仪,并在临床病人中进行实验,肯定了它的应用价值,在国内首先是北京市神经外科研究所对此项技术介绍给国内从事脑电工作的同行,随着电子技术的发展,脑电地形图仪在美国、丹麦、法国、日本等都有专门的仪器出售,在国内也随着电子技术的普及,国产脑电地形图仪的问世,为脑电地形图的普及提供了条件,1987年全国第一届脑电图与临床神经生理学术会议的召开,从此脑电图有了自己的专业组织和定期召开的学术会议,同时创办了临床脑电图杂志和现代电生理学杂志,为脑电及临床神经生理的发展起到了积极的作用,科学家预言,21世纪是脑的世界,脑电图工作将随着科学技术的发展而发展,将为人类的健康做出贡献。 二、脑电地形图的产生与发展 脑电地形图(BEAM)是一种集中表达大脑电生理信息的图形技术,作为能比较直观地反映大脑神经活动的图形系统,它的开发始于临床医生对多导EEG信号综合信息的需要。为了减轻临床医生的头脑中建立综合图像的困难,科学家们开始致力于把现代计算机技术和信号处理技术引入神经医学领域,把计算机的高速计算、高质量彩色图、易于操作的屏幕控制结合起来构成了各种节律的脑电地形图。用直观的彩色图像(或灰度差图像)取代了对多道原始EEG数据所包含的空间信息的表达。 自1979年美 国哈佛医大的Frank. Duff 成功地将BEAM技术用于临床以来,BEAM技术得到了迅速发展,已被临床实践证明它是十分有效的。特别是对纯功能性脑疾患比CT、PET、MRI等现代化诊断技术敏感,对解剖学病变也能在一定程序上识别与判断,但在精度和立体定位方面是不能与CT等先进技术相比的。 到80年代中期,BEAM技术已发展成为神经医学中一种重要的新型辅助诊断技术。但是BEAM技术的发展从一开始就不是为了取代EEG 记录,它主要突出了空间分布信息,对每一导EEG总要损失掉部分信 息。因此,实际中BEAM是要与采集的原始临床EEG记录共同使用的。此外BEAM技术是EEG信号二次处理的产物,而且没有也不可能包含全部有用的临床信息。因此实际的BEAM仪都是包含BEAM技术的综合分析系统,是EEG信号综合定量分析处理仪。 从80年代初,就开始有美、日、法、德、丹麦等发达国家的一些著名电生理仪器生产厂,先后推出了BEAM产品,例如日本三荣公司的7T18,丹麦DANTEC公司的SEEG系统,美国Nicolet公司BEAM系统, Bio-Logic公司的CEEGGRAPH系统等。我国起步稍晚,从1988年才开始有产品陆续进入市场,但由于市场经济的推动,发展很快,到1992年已形成了高潮,与此同时,BEAM的基础研究与临床应用均相应得到发展。 三、脑电图的基本原理 (一)基本概念 将大脑细胞群的自发性、节律性电活动用电极加以引导接入放大和记录装置,以脑细胞电活动的电位为纵轴,时间为横轴,记录或显示的电位一时间关系曲线,就是脑电图。 脑电图的基本特征有周期(频率),振幅(波幅)和位相等。脑电图的频率,从0.5~30Hz是为目前普遍使用于临床的频率范围。脑电的振幅,从几微伏到几百微伏。脑电图波形的相位,也称波的极性,以波形基线为,朝上的波称为负相波,朝下的波称为正相波。两个波顶之间的时间差称相位差,相位差一般用时间ms表示。 (二)脑电图仪的基本结构 脑电图仪是将微伏级的大脑生物电讯号进行放大并记录或显示的仪器装置。专用的脑电图仪,可分为描笔式和无纸记录两大类。描笔式脑电图需用专用的脑电记录纸将脑电描记后进行图纸分析。无纸记录的脑电图仪,以计算机和大规模集成电路为基础,将脑电信号进行模数转换后,以数字形式进行存储、分析和显示。不管是哪一类型的脑电图仪,至少包括有输入、放大、调节、记录/显示、电源等五大部分. 1、输入部分 包括输入电极、电极输入线(盒)、标准电压、侧定装置、导联选择装置。有的还包括头皮电极接触电阻测定装置。 (1)输入电极 脑电电极分为普通电极和特殊电极 。普通电极有银质的架式和圆盘或电极以及银针电极。架式电极以盐水浸泡的沙布接触头皮,圆盘式电极以导电糊作接触剂。针式电极经消毒后直接斜插于头皮上。特殊电极种类较多。其形状根据不同的用途各异。常见的有皮层电极(直接用手术中, 皮层电图的记录),深部探测电极(针电极)等。 (2)电极输入线(盒) 脑电图仪常用的有16导、24导、32导。输入线较多,一般为带夹子的软线连接。8导脑电图仪已经淘汰。64导和128导脑电图仪很少用于临床。 (3)标准电压测定装置 用来产生定标电压,以检测仪器的放大器性能,常采用50μV的定标电压发生电路,接入放大器前级,以校正放大器各参数。 (4)导联选择装置 以选择电极连接的不同组合,可分为机械选择装置,电子选择装置和软件选择三种形式,以实现脑电图检查时所需的单极导联、双极导联、三角导联和特殊导联的需要。 (5)电极接触电阻测定装置 脑电图检查时,电极与头皮有良好的接触。因此,较高档的脑电图机应具备测定电极与头皮接触电阻的装置,以监测接触电阻。 2、放大部分 微伏级信号经放大几万倍到几十万倍后才能进行记录或显示。因此脑 电图仪的放大器要求较高,必须保证高输入阻抗(5kΩ以上)、低噪音、低漂移、高共模抑制。放大器一般分为前置放大和后级放大。前级放大,以保证高输阻抗和高共模抑制,后级放大完成大的放大倍数,并包括各种参数的调节与控制。 3、调节部分 完成各种仪器参数的选择或设定。 (1)高频滤波 滤除高于30Hz或60Hz以上的高频信号,因一般的脑电图有用信号在30Hz以下。 (2)低频滤波与时间常数 滤除低频信号,降低低频干扰(呼吸、动作等)的影响,通过选择时间常数来限定和滤除低频信号。常用0.1秒和0.3秒。 (3)增益 调节放大器放大倍数,以适应脑电信号的大小。 4、记录或显示部分 描笔式脑电图仪具有记录装置,无纸(非描笔式)脑电图仪具有显示和存储装置,部分较高档的脑电图仪,两者兼有。 (1)记录装置 包括送纸装置和描笔两大部分,送纸装置可选择不同的送纸速度,常用15mm/s、30mm/s和60mm/s。描笔有墨水式和热敏式。应具有机械阻尼调节装置,调节描笔与纸的接触压力,避免波形的失真。 (2)显示装置 带显示装置的脑电图仪,必定具有数模转换、数值存储、波形显示及打印装置。这些装置的控制由厂家提供的软件来完成。 5、电源部分 脑电放大器的电源部分,根据不同的类型有不同的要求,常需要有稳定的直流供电,现行的脑电图仪常采用光电隔离电源, 以保证仪器的安全性与抗干忧性能。 四、脑电地形图的原理 (一)基本概念 将脑电信号进行放大后数值化处理,进行频谱分析,按地图绘制原理,以不同色差表示大脑各区域脑电功率分布,就称为脑电地形图。它的 实质是脑电图的另一种表现形式,其特色是比脑电更为直观,其不足是脑电部分信息(如波形的形态和出现方式等)损失。要认识脑电地形图,首先必须熟悉电脑图。 脑电地形图EBAM(Brain electrical activity mapping),将脑电图按δ(0.5~3Hz/s)、θ(4~7Hz)、α1(8~10)、α2(11~13Hz)、β1 (14~20Hz)、β2(21~30Hz)6个频率段进行时域波形功率谱分析。除提供地形图以外,多数和仪器还可提供功率百分比图、功率直方图、脑电压缩谱阵图等。 (二)脑电地形图仪的硬件结构与逻辑结构 脑电地形图仪的硬件结构包括脑电图仪与信号处理两大部分,脑电图仪完成脑电信号的放大、采集、显示、存储等。信号处理部分完成脑电信号的数值处理;信号处理部分既有硬件,也有软件,常以软件更为重要。通过软件完成大量的数学运算得到所需的结果。 脑电地形图仪逻辑结构 1、EEG信号 脑电信号常采用16导联以上的脑电图仪采集,原始信号一般采用单极导联采集,通过模数转换后,经数值运算,可构成不同导联形式的 脑电。脑电地形图分析时,对脑电信号要求较高,否则结果误差较大。严格控制采样伪差、降低背景噪声,是至关重要的。 2、A/D转换 脑电图仪所输出的是模拟信号,将模拟信号转变为数值系列,就称为模一数转换(A/D),由于脑电图信号常为16通道以上。这就必须有多路A/D。目前,实际应用中主要采用多路模拟开关分时接通A/D转换电路,解决多路A/D转换问题,由于模拟开头的动作和A/D转换需要一定的时间才能完成,对于多路A/D转换来说,这就需要采用快速的A/D转换器件,否则从第1导联信号采集到最后一个导联信号采集经历的时间太长,将不能达到脑电分析的同步性要求,另一方面数据采样间隔(即同一导联采集一个数据到下一个数据采集所经历的时间)太长,将使脑电图信号失真。 3、数值预处理 其主要目的是减少后续处理结果的失真。包括滤波处理、伪差去除、消除基线漂移等。因为脑电信号是一种非平稳性随机信号,数值预处理是必不可少的。否则,得到的地形图结果不可信,甚至是错误的。 4、频谱分析 在脑电地形图像中,频谱分析实际包含两方面的内容:一方面是采用通过的数值信号处理方法,进行脑电波形的功率谱分析;另一方面是 采用多种数学分析方法结合,模拟人工脑电分析 的方法(如波形分类与波形识别等)。由于脑电信号的非平稳性和随机性,目前脑电地形图的分析结果并不能完全取代人工脑电图波形分析