（生物医学工程专业论文）小波变换在脑电特征信号提取中的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 用，本文针对隐藏在脑电信号中的微弱的视觉诱发信号进行提取，并进行了仿 真对比，取得了很好的效果。 关键词：脑电信号小波变换小波包消噪 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a l i sb i o c l e c t r i cb e h a v i o rf r o mn e r v ec e l li n p a l l i u m m u c hm e s s a g eo fh e a l t hi sc o n s i s t e di nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a l i nc l i n i c , t h e e g g s i g n a l s n o t o n l y o f f e r t h e e v i d e n c e o f d e t e r m i n a t i o no f d i s e a s e , b u ta l s oo f f e rt h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n tt oc u r et h ed i s e a s e s i ti s v e r y i m p o r t a n t t o g e t a n d i d e n t i t y t h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a m s i g n a l f o r d e t e r m i n a t i o no fd i s e a s ea n de x p l a n a t i o no fh e a l t h b e c a u s et h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a li ss oi m p o r t a n t ，t h er e s e a r c ho f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m h a s b e e nf o r w a r df r o mt h e d i s c o v e r y o f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a li n 2 0 sl a s tc e n t u r y m e a n w h i l e ，a r i t h m e t i co f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lp r o c e s si n c r e a s i n g l ye m e r g e dw i t h t h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fs i g n a lp r o c e s s ，f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n dp o w e r f r e q u e l l c ys p e c t r u ma r ea p p l i e di ne l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lp r o c e s s ；t h e s e m e a n sp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lp r o c e s s h o w e v e re l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a li sr a n d o m ，i ti sd i f f i c u l tt o g e tt h e p r e c i o u sr e s u l tb yf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n i n8 0 st w e n t yc e n t u r y , an e ws i g n a l p r o c e s sw a ye m e r g e d ，w h i c h i st h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n l i t t l et i m e r e s o l u t i o ni sa d o p t e dt oo b s e r v ef a s tc h a n g eo fs i g n a lf o rh i g hf r e q u e n c y , a n d l i t t l ef r e q u e n c yr e s o l u t i o ni sa d o p t e dt oo b s e r v es l o wc h a n g eo fs i g n a lf o rl o w f r e q u e n c y w a v e l e ti st h ec h a r a c t e ro fw a t c h i n gb o t ht r e ea n df o r e s t t h i s c h a r a c t e ri sa d v a n t a g et oa n a l y s i sr a n d o ms i g n a l t h ec o n t e n to fw a v eo fe l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lf i r s t l yw a si n t r o d u c e d i n t h i sa r t i c l ea n dt h ec o n n e c t e dw a yo fg e t t i n gs i g n a la n dt h ed i f f e r e n c e f r e q u e n c y w a v e t h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o ni n g e t t i n g e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lw e r ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e ，r e v u l s i v ev i s u a l s i g n a la n df i l t e rt h en o i s ew e r em a i n l ys t u d i e d t h i sp r o d u c e dal o to fm e s s a g e i nt i m ea n df r e q u e n c ya r e af o ra n a l y s i se l e c t r o e n c e p h a l o g r a m f o re l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a l , t h e yc o n t a i nm u c ht e m p o r a r ys i g n a l i i l 山东大学硕士学位论文 t h e s es i g n a la r ev e r yi m p o r t a n tt od e t e c tt h ed i s e a s e w ec o u l dg e tt h e s i g n i f i c a n t r e s u l tf r o mt h ed e t e c t e dt h e s es i g n a lb ym e a n so fw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s i s a d o p t e d i n d e c o m p o s i n go f e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a l s oc h a r a c t e ro fd i f f e r e n c ef r e q u e n c yr a n g eo f t e m p o r a r ys i g n a l si so b s e r v e d p u l s e so fm o r et e m p o r a r ys i g n a l sa r em i x e d ，a n d an e ws i g n a li sc o n s i s t e db yt h em i x e ds i g n a l t h e nt h en e ws i g n a lw a sd e t e c t e d a n dp o s i t i o n e d t h en o i s ew a sr e m o v e df r o ms i g n a lb yt h em e a n so fd e t e c t i n g t h ee x t e n t t h er e s u l tw a so b v i o u s l ya v a i l a b i l i t y m e a n w h i l e ，m u l t i - r e s o l u t i o nd e c o m p o s e dt h es i g n a li nl o wf r e q u e n c yr a n g e ， a n dw a v e l e tp a c k a g ed e c o m p o s et h es i g n a li nb o t hl o wa n dh i g hf r e q u e n c y r a n g e ；t h i s i st h ea d v a n t a g et o d e t e c tw h o l e f r e q u e n c yr a n g e t h e e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lt od i f f e r e n c ef r e q u e n c yr a n g ew a sd e c o m p o s e db y t h em e a n so fw a v e l e tp a c k a g e i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h eh i 曲a n dl o w f r e q u e n c ye l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a l i tw i l l p l a yas i g n i f i c a n tr o l e i n d e t e c t i n gt h ed i s e a s e t h er e v u l s i v ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a li s i m p o r t a n tt oa n a b s i st h e d i s e a s ea n df u n c t i o no fb r a i n i nt h i sa r t i c l e ，w eg o tt h er e v u l s i v ev i s u a l e l e c t r o e n c e p h a l o g r a ms i g n a lh i d d e ni nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，a n dd ot h e e m u l a t o r w eg o tt h eg o o dr e s u l tt h r o u g hc o m p a r e dt h er e s u l l k e yw o r d s ：e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w a v e l e t p a c k a g e ， n o i s ef i l t e r i n g 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 王寥 日 期： 2 0 0 e 乡f 2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东人学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论二作者签名：垣聊签名：型- 燮1 0 日期：殖：! 之 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节脑电信号的分类和研究意义 脑电图信号是在人的大脑皮层和头皮表面记录到的电信号，是目前进行大 脑功能研究和脑部疾病诊断的重要手段。脑电信号大致分为三类：脑电图信号、 脑诱发电位信号、神经元放电信号。其中神经元信号是脑电图信号和脑诱发信号 的基础，神经元信号可以用来解释大脑功能的本质和信息传递处理方式的主要手 段，而脑电信号和脑诱发电位信号则是在无创条件下分析大脑动态特征和活动规 律的主要手段。 神经元放电信号是使用微电极在脑内部神经元细胞内部或附近记录到的电 信号。现在对于神经元放电信号的研究可以分两方面：对单个动作电位的研究和 对神经元放电脉冲序列的研究。神经电生理学通过研究单个动作电位的幅值、波 形形态，对神经系统的信号传导机制和脑功能的生化基础进行解释。对神经脉冲 时闻序列的研究则是现在神经信息学的研究重点，其主要研究内容是神经信息的 编码，包括神经元状态编码和突触联结权重编码，这方面的研究对于最终破解思 维和意识起源之迷具有极其重要的作用，是脑科学和人类脑计划的核心。但是目 前没有很好的手段去研究人脑中大量的神经元的活动。 1 1 1 脑电图 脑电图是大脑神经细胞电活动的总体效应在大脑皮层和头皮表面上的反映。 通过安装在大脑头皮上的电极可以记录到规则的电的活动，这些电活动就是脑电 图。由脑电图可以反映出人的脑部的活动和各种脑部病变，像癫痫、脑瘤以及各 种精神疾病等。现在，脑电图已经被广泛应用于临床疾病诊断，生理信息提取等 脑信息提取领域，j 成为分析脑部功能和疾病诊断的基本手段之一。 虽然脑电图仅能提供脑状态的一种宏观表现，不如神经元发电信号提供的信 息丰富，但是脑电图于受试个体的生理、生化等其他临床资料，即可对个体的疾 病诊断，脑功能机制解释，提供有价值的资料。目前主要的研究集中在特定波形， 像癫痫棘波、尖波、睡眠中的纺锤波、k 符合波等，不同疾病和生理状态下脑电 图特征的提取等方面。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 诱发电位 诱发电位是与脑电图的自发性节律相对应的，从广义上说，可以认为是任何 外部刺激或者感觉通路的不同部分受到刺激时，在脑部引起的电位变化。现在所 说的脑诱发电位通常是特指用特定的感觉，视觉或者听觉刺激，通过特定的神经 传导通路，在大脑相应的部位形成的电位信号。一般将脑诱发电位简称为诱发电 位，由于诱发电位幅度非常低，o 3 2 0 y ，常常被埋没在相对幅度较高的脑自 发电位中而很难识别。后来，随着技术的发展，出现了机械式诱发电位的叠加平 均装黄和电子式及采用计算机技术的诱发电位自动叠加平均设备，才较完整的解 决了诱发电位的提取问题。但仍具有许多缺陷和不足，诱发电位的快速提取技术 仍然是现在研究的课题。诱发电位的信号波峰的潜伏期和波幅变化与一系列的疾 病和生理状态有着直接的关系。目前，通过对诱发电位信号的分析，可以对脑血 管疾病，帕金森病，昏迷，脑死亡，发育迟缓，听觉，视觉障碍做出准确判断。 】，1 3 脑电信号的提取与识别的重要性 脑电信号是非常微弱的信号，一般都在微伏数量级，因此在采集记录的时候 通常要经过上千倍的放大。这样一些微小的外部干扰以及非神经系统信号都会对 大脑电生理信号造成严重的污染，给分析和诊断带来很大的困难，可能会导致误 诊。虽然在采集和记录大脑电生理信号时采取了各种措施防止这些干扰，但是在 记录到的信号中仍然不可避免的混有各种来源的干扰，尤其是使用头皮电极采集 记录的e e g 信号干扰更为严重。因此，为了保证分析诊断结果的可靠性，降低 分析的难度，通常要对这些信号进行预处理。消除各种干扰的影响。但是，由于 大脑电生理信号的波形中，尤其是波形的尖锐部分和突变部分往往包含了重要的 信息，使得有用的信号与各种干扰信号存在比较大的频带重叠现象，使用现有的 滤波等传统技术在消除干扰的同时也会造成有用信息的丢失。因此，为了得到理 想的脑电生理信号，除了进一步提高和加强采集记录过程的抗干扰能力外，还必 须发展有效的，高保真的信号预处理技术。但是目前还没有比较成熟的和完善的 高保真预处理技术来完成这一工作，这就给信号的分析带来了大量的工作。 对大脑信号来说，是自然界结构和功能最为复杂的系统，它具有高度非线性 的特征。人脑中有1 0 个神经元，如果每个神经元只有2 种状态，那么将有2 的 2 山东大学硕士学位论文 l o “个状态，可见信息量是如此的巨大。要从这些如此巨大的信号中找出特征信 号，对于疾病的诊断是至关重要，因此寻找新的信号处理的方法成为脑电信号处 理领域的一个迫切的任务。 第二节脑电图研究历史 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。能客观地记录时时刻刻变化的脑机能状态的方法，在脑电图的发现以前是没 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。1 7 9 1 年，l g a l v a n i 发现当肌肉收缩时将有电流的发生以后，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 g a t o n ，他在家兔和猴的大脑皮层记录到直流电位并认为可能与脑机能有关。 同年，俄国科学家用电刺激坐骨神经和用声刺激时记录到狗大脑皮层的生物电 流。1 8 8 9 年b o b e p n r o 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生动作电位。后来，波兰的a b e c k ( 1 8 9 0 ) 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 f l e i s c h l v o n m a r x o w ( 1 8 9 0 ) 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，e g o t e h & v h o r s e l e y 等办发表 了动物大脑皮层的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1 8 9 9 年e i m h o v e n 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l m v ，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( 5 0 v 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 i i h e m r d a c k n n ( 1 9 1 3 ) ，他指出，刺激狗的坐股神经时可以记录到 皮层电活动。 1 9 2 5 年，记录到的狗脑的自发性电活动命名为脑电图，并认为有l o 一 1 5 h z , 2 0 3 2 i - i z 两种波，这相当于后来h b e r g e r 在人脑电图中所记录的口波和 3 山东大学硕士学位论文 波。他还发现在动物失血而呼吸困难时可以发生o 2 1 2 h z 的波，这种波后来 被称为慢波、占波等，他当时就认为脑电位自发性振动是皮层神经元引起的，这 样丌创了把记录脑电信号应用于人自身。 首次发现并精确地描述了人脑电活动的是精神科教授h a n sb e r g e r ，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，记录人脑的电活 动。后来，他又指出不用把电极插入人脑中，而把电极放在头皮上，同样可以记 录到脑电信号。他首先把正常人在安静，闭眼时主要出现的1 0 h z ，振幅5 0g v 左 右的有规则的波命名为口波。然后发现当被试者在睁眼看时，口波将消失并出现 1 8 2 0 h z ，2 0 3 0 z v 的波，他把这种快波称为波，他又把这样的脑电活动总称 为脑电图。h b e r g e r 在1 9 2 4 年至1 9 2 9 年间，主要为确认人脑电图的存在而进 行了研究，到1 9 2 9 年才发表“关于人脑电图”一文。此后到1 9 3 9 年之间，以同 一标题连续发表了1 4 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l 6 0 次，成人则以1 0 h z 为主体( 4 ) i e 常成人在清醒时电活动的最大振 幅为1 0 0 z v ，主要振幅为1 0 5 0 z v ( 5 ) 脑电图将受年龄、感觉刺激、疾病、身 体的生理学、生化学条件等的影响而变化。 在1 9 3 3 年英国的著名生理学家e d a d r i a n 重复了h b e r g e 的工作并承认了 他的成果以后情况有了变化，a d r i a n 在当时设备最完整的剑桥大学生理学研究室 同b m a t h e w s 一起研究了脑电图，确认了b e r g e r 所提出的t 2 t 波和口波。 b e r g e r 的有关脑电图的研究被a d r i a n 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，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 个导程的现象。1 9 3 9 年开始出现 6 导程的墨水笔记录装置，1 9 4 8 年制造出较轻便、有实用价值的8 导程脑电图机。 最近生产的有1 3 、1 5 、1 6 、3 2 等多导程的、性能较好的脑电图机，也有使用晶 体管的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 4 山东大学硕士学位论文 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也有了相当进展时，恰好遇到了第二次世界 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，脑电图机的制 造技术有了急速的发展。目前世界各国如英、美、日、西德、月麦，意大利以及 东欧国家都有脑电图机制造厂，生产出各种有特点的脑电图机，除了脑电图机外， 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1 9 5 5 年起 开始生产诱发电位累加器，用它在头皮上电极记录和观察人的诱发电位，这是在 临床脑电图的一个巨大的飞跃。1 9 6 0 年以后有许多这方面的研究报道。 1 9 4 5 年在伦敦召开的第一届脑电图学会，第二届在巴黎召开时成立了国际 脑电图学会联盟。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、脑电图机规格的确定、脑电图医生和技术员 的培训和脑电图术语的同一等作了规定。 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 告的数目不断增加。特别是1 9 5 8 年后，国产脑电图机开始进入生产，全国各省 市较大的医院都建立了脑电图检查室。 在国内南京精神病院首先引进脑电图机，并于1 9 5 1 年对癫痫病人描记出国 内第一份脑电图，1 9 5 5 年北京协和医院成立脑电图室，1 9 5 7 举行了第一次国内 脑电图培训班，有冯应昆教授亲自讲学。1 9 5 8 年，北京市宣武医院由日本回国 的杨舟林医生专门从事脑电图工作，1 9 6 2 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机和培训专门从事脑电图的专业人员。6 0 年 代，国产脑电图机开始生产，为脑电图的普及提供了条件。我国神经病学初建阶 段，脑电图成为神经科疾病，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患的起到了初步诊断的目的。8 0 年代初，开始由于有了 c t 扫描技术，c t 扫描对颅内病变的诊断确实有了巨大的进步，c t 扫描仪的引 进，使人们开始认为脑电图没有更多的应用价值，对脑电图的应用有所冷落。但 在c t 扫描技术发展的推动下，应用电子计算机对脑电图进行二次处理，使脑电 图与电子计算机结合将机能的变化和形态的变化结合起来，美国d u f f 教授于 5 山东大学硕士学位论文 1 9 7 6 年对这一技术进行研究，日本松岗成明和上野照岗提出二维内插的方法处 理脑电信号，同时有了专为处理脑电的脑电地形图仪，并在l 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，脑电地形仪在美国、丹麦、法国、 日本等都有专门仪器出售，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，1 9 8 7 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刀：的学术会议， 同时创办了临床脑电图学杂志和现代电生理学杂志，为脑电图及临床神经生理的 发展起到了积极的作用。 第三节脑电图信号的提取 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，称为自发脑电活动。临床上用双极或单极记录方法在头皮上观察皮 层的电位变化，记录到的脑电波称为脑电图e e g 。直接在皮层表面引导的电位变 化( 例如进行脑外科手术将颅骨打开时) 称为皮层电图f c o g ，无论由头皮或皮 质所记录到的波动的电位都代表由各种各样的活动神经元电流发生器产生的容 积导体电场的叠加。 图1 3 1 表示通过头皮电极记录脑电图的单极导联方法和双极导联方法。单 极导联是把头皮电极作为探查电极。把同侧的耳垂作为参考电极。单极导联大致 可以记录到探查电极下脑电位变化的绝对值，即把耳垂的参考电极电位看作相对 零电位、但头皮电极距离皮层表面还相当远，探查电极记录到的是电极下直径3 4 c m 范围内脑组织电活动的总和，此范围内某- - d , 的局部所产生的电活动，就 有可能被周围组织的电活动所掩盖。另外，耳垂电位并不绝对为零，它容易受到 耳垂附近的脑的颈部电活动的影响，当额部出现振幅较大的异常波时，耳垂电极 本身就可以记录到这个异常电位，这种现象称之为参考电极的活动化。用双极导 联可以记录到两个探查电极之间的电位差，适当选取两个电极之间的距离( 例如 3 c m ) ，使来自范围比较广泛的电活动成为两个电极的共模信号，并且不被记录， 而在某一个电极下面有局部病灶产生局部电活动，则能够比单极导联方式更突出 6 山东大学硕士学位论文 的地显现出来。双极导联适于记录局限性异常波，并能消除参考电极活动化所造 成的误差。 图1 3 1 脑电图导联示意图 图1 3 2 标准电极放置图 前面 7 山东大学硕士学位论文 还有一种导联方式，类似于心电图中的w i l s o n 中心电端单极导联，头皮上各 描记点通过高阻值的相等电阻，联到一个公共点而形成系统的参考点，此点仍称 之为中心电端，这样也构成脑电的单极导联方式。 做l 晦床监测脑电图，放置电极最常用的方法是脑电图学会国际联合会的1 0 - - 2 0 系统见图1 3 2 ，这个系统应用确定的解剖学标志，作为脑电极的标准部 位。图中列出了这种电极系统的电极部位、名称、编号和代号。 采集到的正常脑电信号如下图1 3 3 所示： 0h 沪v 怕帅州“州m 州州 n h 一 ， 坩。刊”啊w 洲i 肿 m “n 忡”m w w m 0 “吖小帅帆帆啊触帅帅”“州 r l ，咖”一 o 一 0 一 o 1 m 啡v 懒叶枷批”如州脚岫n 州加“ ( ) 咖坩“榔m 州燃哪蝴v 洲”枷：、 o1 岫枷价僻彬州蝴褂州郴咿唧饥 ， 图1 _ 3 _ 3 各个导联脑电图信号波形 8 山东大学硕士学位论文 第二章脑电图综述 第一节脑电信号波形分类 脑电图中包含大量复杂的脑部信息，正确的对脑电信号进行分类。对于系统 研究脑电信号具有非常重要的意义。 2 1 1 脑电信号基本分类 脑电图波形中含有多种频率成分的波形( 也叫做脑电节律) ，目前根据频率 不同分为如下几种： 频率在8 一1 3 h z 之间的脑波称作口波，为构成脑电图的最基本的要素。以此 作为基础，比口波频率慢的波称之为慢波，比口波频率快的波称之为快波，慢波 及快波进一步按其频率再分类，如下所示： 慢波 o 5 一一一3 h z ( 不足4 h z ) 6 波 4 一7 h z ( 不足8 h z )口波 口波8 1 3 h z 不足1 4 h z 快波 1 4 17 h z ( 不足18 h z ) 中间快波 18 一一3 4 h z ( 不足3 5 h z )波 3 5 h z 一 ，波 口波、慢波、快波等具有近似正弦波的波形，在频率和波幅方向具有各自的 特征。但是在脑电图里有时看到的是离正弦波波形太远的尖锐波形的波。这些波 的特征是：( 1 ) 波幅高，周期短，( 2 ) 波的上升与下降速度快，特别是上升快，( 3 ) 不形成持续的背景脑电活动，作为一短暂现象出现。这样的波形里有棘波和尖波， 这些波形中往往含有病变信息( 如癫痫棘波) ，正确检测这些波形。对疾病的诊 断和发生机理有重要价值。图( 2 1 1 ) 为棘波和尖波示意图。 9 山东大学硕士学位论文 娜枷铷扣帅 图2 1 1 尖波和棘波示意图 棘波时限为1 5 0 一1 1 4 s 的尖的波形，尖波时限为1 1 1 4 1 5 s ，具有波幅高 而尖锐的波形，与周围的脑电图有区别。 2 1 2 脑电信号的变化差异 即使正常人，由于下列诸因素脑电图表现有相当大的变化。 1 ) 年龄：脑电图在新生儿几乎接近于平坦、幼小儿慢波多，相当于口波的频 率也慢。随着年龄增长接近成人，口波的频率增加接近1 0 h z 。 2 ) 意识状态；从觉醒到睡眠由于各种意识水平不同，脑电图表示出与觉醒不 同特征的波形，因此反过来能够由脑电波形，推定睡眠的阶段。 3 1 睁眼、闭眼：脑电图受到身体内外的感觉刺激的影响，特别是被检查者睁 眼、闭眼，表示显著不同的脑电波形。 4 ) 精神状态：被检者是在安静状态或紧张、兴奋、不稳定等状态，还是处 于注意力集中和精神活动等状态，脑电图都受到相当大的影响。 5 ) 生理学环境的变化：吸气中氧分压的变化( 低氧状态、二氧化碳分压的变化 等) 血糖值( 尤其是低血糖) 、血液循环障碍、发热、基础代谢的变动等，均可引起 脑电图的变化。 6 ) 个体差：即使正常人，既有口波出现率高的，也有几乎看不到“波的，并 r a 波波幅高和低及快波的多少都有差别，虽然这些脑电图都在生理范围内，但 都表现出很大的个体差。 7 ) 药物：脑电活动受到各种药物影响。 脑电活动不因为人种、民族、性别的差异表示显著的不同，并且在同一个体 山东大学硕士学位论文 中不同的时间差异也少，因此，只要符合以上规定的诸条件就能够判定脑电图的 正常、异常。 第二节脑电图节律特征 正常成人觉醒安静时的脑电图、用肉跟观察几乎不含馒波，主要由口波和快 波构成，下面以各种脑电节律说明正常脑电图的特征。 2 2 1 脑电口节律信号特征 正常成人在觉醒、安静状态闭眼时的脑电图，为1 0 h z 左右，波幅5 0 v 左 右的口波连续在枕部优势出现，这个o t 波里通常混合波幅1 0 - - 2 0 a v 的快波。 口波的频率如前面叙述的那样规定为8 1 3 h z ，成人通常是1 0 h z 左右；8 h z 左右有时称为慢盯活动，如果出现此波形，则可能存在脑功能障碍。正常人中也 有相当一部分显示1 2 1 3 h z 的口波，与1 0 一l l h z 的口波相比，其出现频度较 低。口波的频率由于记录部位不同而有些不同，一般在额部的口波比枕部要慢， 其频率差可达到一个。 口波一般在顶、枕部优势出现，特别在枕部，波幅高而出现频度也高。 a d r i a ne 1 ) 等( 1 9 3 4 ) 根据口波在顶枕部波幅高，并且在顶枕附近有位相倒置， 推断口波的电源在枕叶。口波在这个部位优势出现的理由还不清楚，但由于快波 在额、中央部都多，是与大脑皮质的细胞组织学的结构不同及与皮质下诸核机能 的联系等有关。 口波以及快波在左右大脑半球的相同部位大体左右对称，其频率、波幅、位 相等相同的时候多。 但是一般认为，正常成人的1 6 6 枕区口波的波幅有左右关系，约右侧的波 幅比左侧高1 2 4 。一般忱区的口波幅有左右差时，右侧波幅高的场合多。幼儿 尤其显示左右差的倾向大。颞部导出的脑电图波中，即使正常，口波和快波的波 幅多半能看到左右差，因而仅仅颞部脑电图波幅有左右差，不能作为异常。 在左右相同部位的脑电图上有哪种程度的左右差时作为异常。需根据年龄和 病例来考虑，对于成人枕区的口波，有2 0 以上的波幅差时有可能存在病变 山东大学硕士学位论文 幼小儿枕部口波的波幅差在5 0 以内应考虑为正常范围内，图( 2 2 1 ) 为口波 左右差示意图。 图2 2 1d 波左右差示意图 口波的出现率或者量，既是说在一定时间的脑电图记录里含有的口波到何种 程度，有相当的个体差。有人口波几乎连续出现。有的人口波时有时无，又有的 人用肉眼观察几乎看不到a 波。 球波的出现率分为三种程度：高度；通常肉眼观察口波出现率高( 几乎连续出 现) ；中等度( 记录的5 0 - - 7 5 ) ；少量，口波完全看不到。 口波的出现率极低，肉眼观察看起来几乎只见波幅小的快波，这种脑电图称 作低波幅或者低波幅快波波形。我们把这种波定义为“不出现1 0 9v 以上节律的 脑波，并且看不到2 0 t v 以上活动的记录”。低波幅脑电图，约见于正常成人的 1 0 ，但在患病时，如脑外伤后遗症等也可出现。 为了量化地表现口波出现率的差，d a v i s 等( 1 9 3 6 ) 提倡使用口指数或者a 百 分率，这就是在测定出某一定时间的脑电记录中口波出现的时间，占全部的记录 时间的百分率。 实际中，通常是测量波幅在1 0 9 v 以上的。根据口波出现率把正常成人的脑 电图分为4 型：噬波出现百分率在7 5 以上者为口波优势型( 占被检者的2 0 ) ； 5 0 - - 7 5 者为口波准优势型( 占被检者的3 5 ) ；2 5 - - 5 0 者为混合口波形 ，( 2 0 ) ；0 - - 2 5 者为口波劣势型( 2 5 ) ；口波检出率的功能意义还不清楚， 还未证实它与性格之间的准确的相关关系。 在口波的分布正常的部位差减少，d 波不仅在枕部，而且在额、中央、顶、 颞部等头皮上的全导联部位都持续出现的情况，这就是口波泛化或者广泛性口波 山东大学硕士学位论文 形。广泛性口波形，主要在参考电极导联观察到。图( 2 2 2 ) 双极导联看到的广 泛口波作为一型，双极导联上有部位差的正常波形为- - 型，双极导联几乎全导程 成为平坦波为三型，一般认为二型是正常的，一型和三型是病理的。 广泛性口波形时，看到o r 波的分布不仅一样，而且口波的出现率高且持续 性出现，口波的波幅和频率变动少的是单一节律，多数场合频率是8 h z 左右的慢 的口波等特征。 广泛口波形的特征有4 点：口波的分布是广泛性的：口波的出现率高，且 持续性地出现；波幅变化( 调幅现象) 少；口波的频率变慢( 8 h z 左右) 。一般 认为，广泛口波的出现存在有脑的广泛性的轻度功能低下，如脑外伤后遗症、脑 血管障碍( 脑动脉硬化等) ，长期服用苯妥英钠的癫痫患者等。 参考电极导联双极导联 v v v 帆帆帆帅m w 心肌吣吣肿删蝴 i | f f | w w 叭m m 舢m m 叭m n 吖赫 州灿m 州洲、v 帆 图2 2 2 口波泛化 口波抑制： 口波最具特征的性质之一，是通过睁眼被抑制，称之为口波抑制。国际脑 电图学会联盟推荐使用衰减这个术语，来取代抑制这个词。 对口波的衰减来说光刺激最有效，但通过其他的感觉刺激、触觉刺激也出现， 然而引起口波衰减的不是光刺激的光，是看到什么东西，比如只看到没有图形的 白色光线，口波仅在最初衰减转眼间又恢复到原状，一看图形就产生完全的口波 衰减。即便在完全的暗室中，被检者一想看到什么，就会发生口波的衰减。 口波的衰减，不仅由外界的刺激，而且精神内心的活动比方心算等也发生。 口波由光刺激等产生的衰减，在枕部的口波中最明显，通常全导程各部位的口波 也都会衰减。 2 2 2 脑电快波特征 快波与口波不同，主要在中央、额、颞等部位优势出现。正常快波和由于药 山东大学硕士学位论文 物( 巴比妥酸盐，苯二氮革类药物等) 产生的快波波形特征是一样的。从快波的 分布状态考虑，可以推断出这种快波是由运动区皮质的细胞组织学上的无颗粒皮 质部位记录的。 不仅觉醒时而且入睡时也出现快波，并且使用某种药品( 巴比妥酸盐系列抗 焦虑药和睡眠药等) 时极为明显地出现。 快波与8 波一样，在正常者其波幅和频率在左右半球的对称部位大体对称， 因而假如快波仅在- - n 缺失，如波幅有显著的左右差时，对病变的局部定位往往 起决定性的作用。 2 2 3 慢波特征 枕慢波 一般正常成人的枕部脑电图上几乎看不到慢波，但从学龄到青春期在枕部脑 电图上慢波出现的频度相当高。 这种慢波时限为2 5 0 - 3 0 0 m s ( 3 - - 4 h z ) ，多为单发性，出现在一侧或两侧的 枕部。两侧性出现时大多数为非对称性，一般多为右侧占优势，这种忱慢波多因 睁眼而抑制，闭眼而诱发。如果慢波接着尖的波出现时，因类似尖慢复合波的波 形而容易看作异常脑电图，但其常常出现于青少年期，据报告在1 9 2 0 岁的正 常对照组有1 0 出现这种慢波。对于各种患者的统计表明，有记录6 岁到2 5 岁 的患者1 7 看到这种慢波，因而与其说某种枕馒波与癫痫等特定的脑部疾病无 相关性，倒不如说是脑发育过程不完全成熟所致。因此，有学者将其称为青少年 后头部占优势性慢波、后头部慢波或青少年后头部慢波。 类似于这种慢波的还有约为口波2 倍周期的5 6 h z 的慢波，其波上有切逊是 表示由两个口波融合而成的波形的慢口变异型节律。慢口变异型节律显示了在忱 部优势分布，因睁眼抑制等类似拉波的性质。 枕部慢波是正常还是异常范围不易鉴别，有人把与枕部的口波相比，波幅在 1 5 倍以上的慢波作为异常波，并且认为出现频度高的慢波为异常波。此外，尚 有与头部外伤等疾病相关的枕部慢波，常见于癫痫失神发作患者的枕部慢波等。 2 2 4 其他波形 波： 14 山东大学硕士学位论文 u 波是类似于a 波，频率7 一l l h z ，比较规则的向下或者向上的拱形波，是 出现在中央沟附近的头皮上的脑电活动。因为它类似连续书写a 字的形状，称为 节律，节律原来也称篮状波、拱形波。这个波的特征与口波不同，不太受睁 眼和心算等影响，通过体感觉刺激和四肢运动被抑制。看节律的有无、最好观 察睁眼时中央部脑电图，这个波的出现既具有一侧性的，也有两侧性的。两侧性 时，通常两侧半球是非同步性。 有人认为，t 节律是相当于中央沟附近的口波的波，在癫痫、脑肿瘤手术、 骨肥大、头部外伤等病例其运动区皮质同时表现有某些慢性轻度功能减退和刺激 状态时容易出现。 2 波： 由于安静睁闭眼时在枕部的口波非常显著，对于睁眼时的脑电图，除口波的 衰减以外几乎不被注目。e v a n sc ( 1 9 4 9 ，1 9 5 2 ，1 9 5 3 ) 发现一种比较罕见的波，既 有些病例在睁眼时，在单极导联于枕区出现正相单相性三角形尖波，把它命名为 五波。 这种波的时限各有不同，有时达3 0 0 m s ，出现方式完全是非节律性的。虽然 五波多数场合是两侧同步性的，但波幅有时也有左右差。 a 波的特征，在明亮的房间睁眼时，特别是看到图形时出现，有时这个波接 着眨眼出现。 五波的临床意义，是认为这种波在有癫痫和器质性疾病者多见。一般认为显 示a 波的病例，真正的癫痫占2 3 ，精神运动性发作占1 8 ，偏头痛等占2 0 ， 皮质下损伤占1 7 ，头部外伤后遗症占1 6 ，精神科的病患占6 ，错觉、幻 觉占4 8 ，这种波与错觉、幻觉有密切关系。把五波与癫痫直接联系起来是错误 的，它与闪光刺激诱发反应有关，一般情况下正常者4 0 名中2 6 名有a 波，说明 与闪光刺激的反应之间的关系密切。 f m 8 波： 在像心算那样的精神活动时，在头顶的前部出现4 7 h z 的节律，在连续加 算操作中等情况