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第三章生物电测量与分析 3 1生物电测量及仪器3 2电阻抗成像技术 EIT 3 3植入式测量及仪器3 4生理参数的远程传输及监测枝术 本章将突破以往生物医学测量技术以传感器为主导的系统格局 而主要从生命信息的测量方法 技术及仪器构建原理着手 深入地讨论各类生物医学信息的形成 获取 分析 处理 显示与记录等方法与相关技术 在生物电 非电生理生化参数的测量及仪器 病房监护系统 医学超声测量与仪器等常规测量及仪器中引入各类医疗及仪器新技术 首次介绍电阻抗成像技术的基本原理 方法 成像的相关算法 前言 生命体包含着反映生命活动的极其丰富的信息 存在于由细胞组成的器官中 如脑 心脏 肺 肝 肾 胰 血管 胃 膀胱和各种感觉器宫 存在于各种器官组成的神经系统 循环系统 呼吸系统 泌尿系统 内分泌系统 消化系统和感觉系统等许多特殊功能的生命系统之中 生物医学信息侧量是对生命体各个层次上极其丰富且有内在联系的 具有个体差异且随时间与空间变化的 受环境影响的备种生命体成分 性质 状态和功能等信息进行检测与量化的技术 3 1生物电测量及仪器 人体不同部位的生物电测量与记录 能反映相应部位的兴奋性变化 是临床诊断的重要依据 例如 心电变化的测量与记录是现代医学诊断心脏疾病的主要手段 脑电的测量与记录是探测脑部肿瘤和癫痫发作的重要依据 肌电的测量与记录有助于诊断肌肉萎缩和肌肉神经支配疾病等 生物电测量涉及许多研究领域 诸如生物电的起源 生物电测量电极 体表记录电极 体内电极 微电极等 生物电放大 记录等共性问题 本章将以心电 脑电 肌电 眼电等常见的生物电测量和仪器作为重点 讨论各自的测量方法与典型仪器组成 1 生物电测量电极 安放的位置 体表电极 皮下电极 体内檀入式电极 电极的形状 板状电极 针状电极 螺旋电极 环状电极 球状电极 电极的大小 宏电极 微电极 体表电极若按电极与皮肤之间是否采用导电膏来分 可分为湿电极 采用导电膏 和干电极 不用导电膏 1 生物电测量电极 2 心电测量及仪器 1 心电的产生和心电图 正常心脏兴奋的起源点在窦房结 位于右心房的上腔静脉入口处 该兴奋经心房内的结间束 包括前结间束 中结间束和后结问束 一面兴奋心房 一面传至房室交界处 含房室结 房结区和结希区 经过一定的传导延迟后 再沿希氏束 左右束支传至两心室的内膜下之浦肯纤维网 该网互相吻合 深入心室肌层 最终使整个心脏全部兴奋 心脏兴奋沿传导系统的传导过程需有一定的时间 窦房结与房室结之间动作电位传递的时间约为40ms 房室交界处的延迟时间为110ms 希氏束很短 希氏束及其束支传导速度很快 从兴奋进入希氏束 只需30ms 就可到达最远的浦氏纤维 心室肌外层的1 3 1 2由普通心室肌传导 右心室约需10ms 左心室约需30ms 因此自窦房结到心室外表面的总传导时间约为220ms 心脏是人体中血液循环的动力源泉 依靠心脏的有规律性的搏动 使得血液不断在体内循环 以维特正常的生命活动 心脏在搏动之前 心肌首先发生兴奋 在兴奋过程中产生微弱的电流 该电流经人体组织向各部分传导 由干身体各部分的组织不同 各部分与心脏间的距离不同 因此在人体体表各部位表现出不同的电位变化 这些电位变化可通过导线送至一种特制的记录装置 心电图机记录下来 形成动态曲线 这就是所谓心电图 electrocardiogram ECG 也称为体表心电图 2 心电测量及仪器 1 心电的产生和心电图 2 心电测量及仪器 1 心电的产生和心电图 2 心电测量及仪器 2 体表心电图导联 将两个电极安放在人体表面的任何两点 分别同心电图机的正负极端相连 可用来描记这两点电位差的变化 这种放置电极的方法及其与心电图机的连接方式称为导联 标准导联 正负电极安放位置 统一标色 2 心电测量及仪器 2 体表心电图导联 标准导联又称标准肢体导联 它是直接将两个肢体电极的电位加至心电放大器的输入端 记录两者之差 1 标准导联 standardlead 2 心电测量及仪器 2 体表心电图导联 经过三个相等的电阻 大于5kW 接在一起 组成一个平均电位的中心端 因为这个中心端电压在心脏激动时 经常保持在零点左右 可作为体表心电图测量的基准 使该中心端与心电图机的负极相连 分别将探测电极置于右上肢 RA 左上肢 LA 左下肢 L 测定各点的电位变化VR VL VF 这种反映单点电位变化的连接方式称为单极肢体导联 2 加压单极肢体导联 2 心电测量及仪器 2 体表心电图导联 2 加压单极肢体导联 2 心电测量及仪器 2 体表心电图导联 3 单极胸导联 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 安置在体表不同部位的测量用电极 提取两点之间的电位差后 通常以差动方式进行放大 并用各类记录仪记录 或以阴极射线管 CRT 显示 或记录于磁带等存储媒体之中 采用记录仪来描记心电图的仪器通常称为心电图机 临床的心电图机的记录速度一般是1s间距25mm lmm的垂直线间隔表示0 04s 5mm问隔为0 2s 心电图机的灵敏度可调 最高灵敏度通常是lrmV为15 20mm 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 1 心电输入电路 导联转换器 导联转换器的作用是用来进行导联间的转换 而不必去更改人体电极的接线 导联转换器可以采用琴键开关和波段开关 也可采用四块双四通道多路模拟电子开关 通过控制电平来切换 由导联转换器所选择的任一导联心电图信号 送至差动放大器迸行放大 高频滤波器 为了减少干扰 除了在导线外包以金属屏蔽外 通常在心电图机的输入端加接高频滤波电路 保护电路 为了使输入放大器免受高压 比如高压除颤脉冲 击穿的危险 输入电路中常加有辉光管等高压保护器件 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 2 前置放大器 将微弱的心电信号给予足够的放大 要求具有良好的抗干扰性能 该电路兼有同相输入 对称差动放大的特点 因而具有输入阻抗高 共模抑制比高等优点 若输入管的噪声较低 则该电路能保证低噪声 适当的增益和具有良好的抗干扰能力 调节电阻R1可调整增益 要避免饱和 调节R7可有效地抑制共模干抗 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 3 主放大器 主放大器包括多级电压放大及一个功率放大器 主放大器将心电信号进一步放大 为了抑制漂移 前置放大与主放大器之间可采用具有隔直能力的阻容耦合 但为了保证有效地通过心电值号中的低频分量 该阻容耦合电路的时间常数匝不大于3 2S 前置放大器与主放大器间的耦合方式亦可采用变压器耦合的方式 由于变压器的隔离作用可使前置放大器处于浮置状态 提高心电图机的抗干扰件及安全性 光耦合是另一种有效耦合方式 在前置放大器与主放大器间采用光耦合器可实观前后级间完全的电隔离 前置放大器同样可处在浮置状态 这对提高心电图机的抗干扰性和安全性也十分有利 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 4 记录器 在心电图机中常采用动圈式记录器 动圈式记录器的原理和结构与普通的万用表头相似 由固定不动的磁路与可转动的线圈组成 记录器线圈与功率放大器输出端相联 心电信号经功率放大后流向线圈时 在均匀磁场作用下 形成一个力矩而产生线圈的偏转 该线圈带动热笔运动 将心电图描记在记录纸上 热笔通常有温度调节电路 解决预热和过热间题 为了使记录纸标淮地走动 心电图机中还设有电动机传动的走纸机构 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 5 心电测量 为了准确地测量心电图的幅值和心电图各波的时间间隔 在心电图机中还设有lmv校正信号发生器 以校正灵敏度和正确测量心电波的幅值 走纸速度的准确性直接影响所测量心电图各波的淮确性 通常在心电图中设有走纸速度控制机构 保证走纸速度为25mm s 有时亦用50mm s 灵敏度 噪声 阻尼 线性 共模抑制比 时间常数 频率响应 走纸速度 输入阻抗 示波输出 安全指标 2 心电测量及仪器 3 心电图描记 心电图机 结构 6 心电图机的技术指标 心电图的灵敏度是指输入1mV电压时描笔偏转的毫米数 mm mV 心电图机的标准灵敏度为10mm mV 噪声是心电图机中各个元器件内部电子不规则运动产生的输出 噪声的大小可用输出端的噪声电压折算到输入端的噪声电平来表达 在标准灵敏度状态下 若噪声大小为11V 则在记录纸上将有0 lmm的不规则抖动 在描记心电图时 为了克服描笔的振荡 提高心电图机的动态品质 在记录器内还接有一个测速反馈线圈 它产生的与描笔线圈运动成比例的电压作为负反馈电压加至末级功率放大器输入端和主放大器输入端 以调节心电图的阻尼 心电图机中的描笔处在不同位置时 若输入的信号相同 则应有速度相同的描笔偏转 若有偏离则意味着心电图的线性不好 将导致心电图记录失真 线性偏差应少于输出峰 蜂值的50 通常以共模抑制比 CMRR 来表征该心电图机的抗干扰能力 它定义为差动增益与共模增益之比 心电图机的共模抑制比遁常应大于60dB 尤其是工频 50Hz 干扰 心电图的时间常数通常用来反映放大直流压缓变信号的能力 它与放大器级间RC耦合电路有关 时间常数 RC 通常是指在心电图机中接入直流信号时 输出波形自100 下降到37 所花费的时间 心电图的频率范围通常在0 05 80HZ 为了不失真地复现心电信号 心电图机对不同频率成分应具有相同的灵敏度 用一个低频信号发生器将1 100HZ的正弦波送入心电图机 在75Hz时 描笔幅度应不低于7mm 即下降至70 即半功率点3dB处 在心电图机中 记录纸通常由走纸机构带动而匀速移动 所以心电图记录纸上 横坐标代表时间间隔 走纸速度的准确性直接影响到所观察的心电信号波形时间间隔的准确性 心电图机的走纸速度常用的是25mm s 也可用50mm s 在检测体表的心电图时 不从生物电信号源吸取电流 为此心电图机应要求有较高的输入胆抗 另外人体作为心电信号源来说 其信号微弱 仅1 2mV 内阻较大 为了自体表获职较大的信号 要求心电图机具有高的输入阻抗 通常要求输入阻抗不小于2M 2 心电测量及仪器 4 心电图的自动诊断 通过模数转换及数字计算机对心电图的特征和标准进行自动识别 测量 并给出诊断结果的方法 称为心电图的自动诊断 心电放大器一般带宽为0 05 100Hz 这样能保证不失真地记录频率很低的ST段 对频率较高的QRS波的衰减也不会超过0 lmV 模数转换器 ADC 选用精度为8bit 采样频率200 1000Hz 已能满足心电图数字化的需要 若需要分析心电图中的细节 例如在检测希氏束心电时 采样频率可选用2500Hz 微处理机 单片机 DSP 嵌入式计算机等 PC机 LCD显示等 2 心电测量及仪器 4 心电图的自动诊断 2 心电测量及仪器 4 心电图的自动诊断 远程监护系统 监护中心网络结构 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 补充 心电信号是一种低频微弱电信号 检测设备具有较高的灵敏度 所以对干扰很敏感 对体表电极测量而言 信号幅度在10 V到4mV之间 典型值为1mV 频率范围在0 05Hz到250Hz 频谱能量主要集中在0 25Hz 35Hz之间 由于心电信号检测的信号源是人体本身 而人体又处在各种纷繁复杂的电磁环境中 所以心电信号中不可避免地会混有各种高强度的干扰 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 工频干扰的耦合途径有以下几种 1 导联线形成容性耦合 1 工频干扰 从肢体或胸部提取体表心电信号所用的导联线 通常约1m长 在强电磁环境中 通过长的导联线与其它带电导体之间的分布电容 足以引入周围环境的各种干扰 下图所示标准肢体I导联时 导联线与电源馈线之间的容性耦合 C1 C2表示各导联线与电源馈电线之间的容性耦合 Z1 Z2为电极与皮肤的接触阻抗 由于放大器输入阻抗很高 所以导联线分布电容中的位移电流Id1 Id2不会流入放大器 而是经过电极与皮肤的接触阻抗Z1 Z2进入人体 如果有Z1 Z2 C1 C2 即导联条件完全对称 则位移电流形成的电压相互抵消 不形成干扰 但是 实际上总存在不平衡 即使位移电流是相等的 电极接触阻抗通常都有几千欧的不平衡 取一组典型数值 设Id1 Id2 6nA Z1 Z2有5k 的不平衡 则放大器输入端有差模电压UAB Id1 Z1 Z2 30 V 约为心电信号幅值的3 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 2 人体表面形成容性耦合 1 工频干扰 人体与50Hz的电源馈线之间存在分布电容 实际上是体表各部分的分布电容的总和 可以粗略测出人体通过容性耦合携带的总的位移电流Id Idi 一般Id 1 A 人体表面形成容性耦合的原理如下图所示 在图中 若取Id 0 2 A 则在标准肢体I导联的心电信号上 将叠加两臂间的位移电流造成的电压为 0 2 A 400 2 160 V 即相当于心电信号幅值的16 缩短两个电极之间的距离 减小体电阻 可以降低位移电流形成的干扰电压 一般说来 这种干扰是不容易消除的 除了尽量使人体远离干扰源或对人体采用昂贵的屏蔽措施外 并没有比较有效的办法 人体手指到肩的电阻约400欧 躯干电阻约20欧 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 3 磁场的感性耦合 1 工频干扰 在人体和测试系统输入回路构成环路时 将在环路中感应出干扰电压 其幅值为 ABcos 其中 为磁场的角频率 A为环路面积 B为磁感应强度 为B与环路平面法线的夹角 一般病室中 Bcos 约为3 2 10 7Wb m2 则50Hz磁场的感应电压约为100A V 环路面积必须限定在0 1m2以下 方可使感性耦合干扰电压小于10 V 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 生物电引导电极是经过一定处理的金属板 金属丝或金属网 用电极引导生物电信号时 与电极直接接触的是电解质溶液 如导电膏 人体汗液或组织液 因而会形成一个金属 电解质溶液界面 由电化学的知识可知 在金属和电解液之间会形成电荷分布 产生一定的电位差 称为电极极化电压 极化电压的幅值一般较高 在几毫伏至几百毫伏之间 理想情况下 在用双电极提取人体两点间的电位差时 两电极保持对称就可以使极化电压互相抵消 但实际上 由于极化电压与通过电极的电流大小 电极和皮肤的接触情况等很多因素有关 所以不可避免会造成干扰 特别是当电极和皮肤接触不良是时 会造成很严重的干扰 另一种情况是人的运动造成电极与皮肤接触阻抗变化而引起的瞬时的 但非阶跃 基线改变 由于此类干扰具有很强的随机性 很难通过软件或是硬件的方法消除 选用优质的电极 监护前仔细处理皮肤 监护过程中尽量避免电极与皮肤间的相对运动往往是最有效的方法 2 电极极化干扰 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 肌电干扰来自于人体的肌肉颤抖 肌肉的生物电活动形成的电位随时间的变化曲线称为肌电图 肌电活动是一种快速的电变化 其幅值在几十微伏到几毫伏 频率为2Hz到10kHz 临床应用上限5kHz就足够了 肌电信号的频谱在一定范围内与心电信号的频谱重合 所以要完全消除其影响是很困难的 除了在软件或是硬件设计中进行适当的滤波处理之外 临床应用中使病人避免较为剧烈的运动也是必要的 3 肌电干扰 2 心电测量及仪器 5 心电信号干扰来源分析和解决办法 基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化一般由人体呼吸 电极移动等低频干扰所引起 频率小于5Hz 其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸同频率的正弦分量 呼吸时ECG幅值约有15 的变化 除了用硬件加强滤波处理外 软件上也可以采取适当的算法来减轻或是消除这些因素的影响 4 基线漂移和呼吸时ECG幅值的变化 2 心电测量及仪器 6 典型心电测量电路设计 输入阻抗高共模抑制比低噪声低漂移 为进一步提高整个电路抗共模干扰的能力 还采取了屏蔽驱动和右腿驱动两项措施 通过两个阻值相等的电阻R4 R5可取出共模输入电压于R4 R5的结点 此电压经集成运放TLC2252跟随后加到导联线的屏蔽层 实现屏蔽驱动 与此同时 共模电压经另一运放和R6 R7 C3等组成的反相放大电路放大后经R8加到右腿上 实现右腿驱动 屏蔽驱动的原理在于使左 右手导联线与屏蔽层之间的分布电容两端具有相同的共模干扰电压 限制了共模干扰在分布电容中的分流 从而提高了共模输入阻抗 右腿驱动是通过电路的共模电压并联负反馈将共模干扰抵消 采用这两项措施显著改善了前置级的共模抑制能力 2 心电测量及仪器 6 典型心电测量电路设计 前置放大器输出的信号并不是纯粹的心电信号 其中除了夹杂着不少的工频干扰外 还有可观的直流或低频分量 这往往来自于电极极化电压的不平衡 前置放大器的失调漂移以及人体的活动等因素 这不仅会引起心电信号的基线漂移 也不利于后续电路的处理 设计采用了一个RC高通滤波器来滤除这些直流和低频分量 由于心电信号的频率下限为0 05Hz 高通滤波器的截止频率一般定为0 03Hz 由此算出时间常数RC约为5 3S 可见此RC高通滤波器的时间常数很大 会导致其动态响应的缓慢 假设其输入来一个较大的跳变 这在心电测量中会经常发生 则其输出也会跟随跳变 然后缓慢地以指数曲线形式回到零 也就是说心电基线会长时间不能回零 为消除这一现象 特设计了基线复零电路 其工作原理是这样的 由R12到R15 U3A U3B以及D1 D2组成窗口比较器 门限设为 200mV 也就是说当高通滤波器的输出 即C4 R20结点 电压高于200mV或低于 200mV时 比较器输出高电平 使三极管Q1 Q2导通 迅速将输出点电位拉低 从而使基线复零 此电路兼有电极脱落检测功能 当电极脱落时 前置放大器饱和 输出满幅度电压加到高通滤波器 使窗口比较器输出高电平 点亮LED 实现报警功能 2 心电测量及仪器 6 典型心电测量电路设计 尽管前置放大电路具有较高的共模干扰抑制能力 但正如前面所讨论的那样 有些工频干扰是以差模形式进入放大器的 还由于包含电极在内的输入回路的不稳定等因素 所以前置放大电路输出的心电信号中仍然不可避免地混有较强的工频干扰 由于陷波器设计为单3 3V供电 所以陷波之前需加一级电平迁移电路 即在心电信号上叠加一个合适的直流电平 2 心电测量及仪器 6 典型心电测量电路设计 由于近年来电源的谐波污染越来越严重 所以工频干扰信号中除了50Hz基波频率分量外 还有较多的100Hz 150Hz等谐波频率分量 这些频率分量经50Hz陷波后仍然存留于心电信号中 另一方面 心电信号中还混有较高频率的肌电干扰以及开关电容滤波带来的开关噪声 所以在50Hz陷波之后设置一级低通滤波器是必要的 为达到较好的滤波效果而又不使电路过于复杂 设计了一个二阶压控电压源 VCVS 低通滤波器 电路结构如图所示 2 心电测量及仪器 7 心电图自动分析方法 20世纪50年代以来 人们已开发了许多心电图计算机自动分析程序 1959年Piberger等人开发的可以区分心电图正常或异常的心电图自动分析程序 60年代Staples等提出的诊断心电图的分枝树逻辑分析方法 70年代Macfarlane等提出的多次心电图分析与比较的心电图分析程序 80年代后期Narquues等提出的统计心电图分类的线性预测方法 以及新近的各种神经网络法 小波变换法等心电自动分析程序 并开发了各类非常规心电图 包括希氏京心电图 心室晚电位 高频心电图等 的各类自动分析程序 2 心电测量及仪器 7 心电图自动分析方法 主要是采用数字滤波的方法去除和抑制干扰信号 包括工频干扰 高频噪声干扰 以及进行基线校正 其目的是保留反映心电图波形的完整信息 心电图数据压缩及重建也归属这一部分 P波幅度比R波小 并常淹没在噪声中 因而比较难以识别 通常可相据对P波幅度 斜率 曲率 积分值 空间速度枉 方位角和加速度等指标进行综合分析 因而往往需耗费许多机时 因为往往测试一个项目就需1000多条指令 目前采用平均叠加法及双阈值斜率法有助于提高P波的检出率 但由于多种因素 P波的自动检出率很难突破90 QRS复合波的识别在心电图自动分析中具有十分重要的地位 因此要求有很高的自动识别能力 通常可采用斜率法及模板匹配法来检测 目前的算法归纳为非自适应算法 自适应算法 频域处理法和相关算法等 目前QRS波的自动检出率已高达98 以上 一旦检出后 就可相据医学上对各种心律失常的定义 参照QR和QS的斜率 QRS波宽 RR间隔等特性确定心律失常类别 用来完成对心电图中的特征波 包括P波 QRS复台波 波 U波 等 进行自动识别及定位 各彼的起点和终点 等 心电图各波起点识别出来后 可通过测量计算 测出心电图各段的时间 波宽 波间间隔 幅度 面积 变化速率等基本参数 必须注意 基线漂移 呼吸引起的心电图变化是影响测量精度的主要误差来源 应采用线性插值及取平均值的方法来克服 该程序的功能是将识别和测量程序中提取的心电图参量与心电图诊断标准相鉴别 通过匹配及比较等方法自动作出诊断结果 并在记录器和显示器上给出诊断报告 多元分析法是心电图自动诊断程序的典型代表 心电图自动分析不仅可提高心电图诊断的效率 而且分析诊断的正确性亦已超过良好训练的心电图技术员 但对复杂的心律不齐等严重心脏疾患的诊断可靠性仍有待于改进 当然可将一些非常规心电图 包括心电向量图 希氏束电图 心室晚电位 高频心电图等自动诊断技术结合起来 以期最大限度地提离诊断的正确性 3 脑电测量及仪器 1 脑电的产生 跨膜静息电位 刺激 动作电位 同步化 脑电波 电极 脑电图 测量 3 脑电测量及仪器 2 脑电图 用脑电图仪在头皮表面引导记录到的脑部生物电活动的波形图 如果直接在大脑皮层表面记录的皮层自发电位活动 称为皮层脑电图 脑电图的波形很不规则 其频率变化范围每秒约在1 30次之间 脑电图描记是检查脑功能正常与否的一种重要手段 如大脑皮层有肿瘤时 由于肿瘤本身不发生电波 但脑瘤对周围组织有破坏作用 在检查时即可在脑瘤部位记录到周围损伤组织不正常的 波或 波 由此可诊断脑瘤的大小与部位 又如癫痫病人 脑电图常出现高振幅的棘波 光波或棘慢综合波等 抽搐放电 的波形 这些波形的改变对协助诊断 疗效观察与评价预后都有一定意义 3 脑电测量及仪器 脑电图常用的几个概念 单个出现称为波 连续出现不到1秒时称为活动 超过1秒时称为节律 两种不同类型波合并一起出现称为复合波 生理性 病理性 从时间角度看 波形的出现可以是单个 散在 短程 长程 持续 阵发 杂乱或调幅的 从空间看 可表现为弥漫性 一侧性或局限性的 3 脑电测量及仪器 脑电图的意义 脑电图主要用于癫痫 脑外伤 脑肿瘤等疾病的诊断 脑血管病急性期90 脑电图出现异常 主要是慢波增多 尤其是病灶侧更明显 蛛网膜下腔出血的脑电图 由于动静脉畸形好发生于大脑半球的表面 可因脑血液循环障碍 而发生局限性或半球性异常 随着病情的好转 慢波的波幅减低 频率增快 脑梗塞发生后 数小时就可有局灶性慢波出现 这种改变常在数周后改善或消失 急性缺血性脑血管病损害 以大脑中动脉为最多见 故局灶性改变主要在颞叶 如果是短暂性脑缺血发作 在发作间期脑电图可无异常 在发作期一部分脑电图可能出现异常 这类病人较易发生脑梗塞 无论是脑梗塞或是轻度脑出血 主要表现为局限性慢波增多 如果病灶广泛引起脑干受压时 可引起两侧弥漫性慢波 如果病灶小或位置较深 脑电图可无异常 脑肿瘤患者脑电图的异常日渐加重 而脑血管病者则恰恰相反 3 脑电测量及仪器 头皮电极的安放位置及连接方法 目前临床上应用最多的是国际脑电图学会建议采用的标准电极安放法 其中FP为额极 Z代表中线电极 FZ为额 CZ为中央点 PZ为顶点 O为枕点 T为颞点 A为耳垂电极 上述记录电极的序号通常是用奇数代表左侧 偶数代表右侧 整个头皮及双耳上所安放的电极数为21个 这种安放法特点是 头部电极的位置与大脑皮质的解剖学分区较为一致 电极的排列与头颅大小及形状成比例 在与大脑皮质凸面相对应的头部各主要区域均有电极安放 3 脑电测量及仪器 头皮电极的安放位置及连接方法 将电极按照一定的顺序或有目的地组合起来进行描记称为导联 描记脑电图常规应用单极导联和双极导联两种方法 一次描记中至少要有3 4个导联的描记 并有单极导联和双极导联的组合 以便观察异常放电和定位诊断 一般来讲 单极导联对癫痫灶定位较好 而双极导联的波形 波幅失真较少 波频率为每秒4 7次 振幅约为100 150微伏 在清醒的正常成人 一般也记录不出 波 成人在困倦时常可记录出 波 波的出现是中枢神经系统抑制状态的一种表现 如在清醒成人的脑电图中出现 波表示不正常 一般在顶区与颞区引出的 波较明显 正常人的脑电图 脑电图的波形很不规则 其频率变化范围在正常人每秒约在1 30次左右 通常将此频率范围分为4个波段 波频率为每秒0 5 3 5次 振幅为20 200微伏 在清醒的正常成人 一般是记录不出 波的 成人只有在深睡的情况下才可记录出 波 一般在颞区与枕区引出的 波比较明显 波频率为每秒14 30次 振幅5 20微伏 安静闭目时只在额区出现 波 如果睁眼视物 突然受到声音刺激或进行思考时 在皮层其它区也会出现 波 所以 波的出现一般表示大脑皮层处于兴奋状态 3 脑电测量及仪器 波频率为每秒8 13次 振幅为20 100微伏 波是正常成人脑电波的基本节律 如果没有外加的刺激 其频率相当恒定 在头部任何部位皆可记录到 波 但以在枕区及顶区后部记录到的最为明显 节律与视觉活动有关 节律在清醒安静闭目时即出现 并可具有时大时小的波幅变化 即波幅呈现由小变大 然后又由大变小的规律性变化 形成所谓 节律的 梭形 每一 梭形 持续时间约1 2秒 睁眼 思考问题或接受其它刺激时 波立即消失而出现快波 此现象称为 波阻断 如再行安静闭目 则 波又会重新出现 常见的脑电测量仪器 3 脑电测量及仪器 数字视频脑电图仪及分析系统 脑电地形图仪 数字脑电图机 数字化三维脑电地形图仪 脑电生物反馈肿瘤治疗仪 家用脑波治疗仪 3 脑电测量及仪器 影响脑电图的因素 影响脑电图的主要因素有年龄 个体差异 意识状态 外界刺激 精神活动 药物影响和脑部疾病等 其中年龄和个体差异与脑生物学特点及遗传心理因素有关 外界刺激与精神活动引起的脑波改变属于脑机能活动的一些生理性变化 药物影响和脑部疾病所产生的脑波变化往往是病理性的 但也可以是一过性和可逆性的 在临床上大多数药物对脑机能会产生直接或间接的影响 尤其是那些直接作用于中枢神经系统的药物可引起明显的脑波变化 具体变化与个体差异 药物种类 服药方法 药量等都有很大关系 如口服给药 刚开始和增加药量时会出现脑波变化 有些在停药后的短期内脑波改变仍可持续存在 甚至会出现一种反跳现象而见到脑波增强 这就是临床上治疗癫痫不能突然换药或停药的原因 脑电图可以观察到随年龄增加的脑波发展变化 年龄阶段不同 脑波可显示明显的差异 由于小儿时期脑兴奋抑制机制发育水平的年龄差异 因而对内 外界各种因素影响的反应较成人显著 容易出现明显的脑波异常 但相应的消失也较成人快 年龄不同 异常波型也不相同 在癫痫时尤其如此 到成年时 脑波逐渐稳定 中年后随着脑机能的逐渐减退 脑波又产生相应的变化 到老年期由于有脑缺血性损害或有脑萎缩存在 大多数也会出现有意义的脑波异常 关于脑波的个体差异多在1岁后出现 并随年龄的增加而逐渐增加 至成人时脑波差异已相当显著 脑电图能够反映意识觉醒水平的变化 成人若在觉醒状态出现困倦时 脑电图就由 波占优势图形出现振幅降低 并很快转入涟波状态 入睡后脑波变化将进一步明显并与睡眠深度大致平行 在病理状态下 脑电图波形的异常又与病因及程度有关 除大多数表现为广泛性或弥漫性波外 还可见到一些其他的异常波型 临床上常根据这些异常波型来推断意识障碍的病因 程度 还可确定病位 脑波节律一般易受精神活动的影响 如当被试者将注意力集中在某一事物或做心算时 节律即被抑制 转为低幅 波 而且精神活动越强烈 波抑制效应就越明显 外界刺激也可引起同样的变化 这就是为什么在做脑电图时周围环境要安静 受检者要放松 不要思考问题的缘故 临床上诸如缺血缺氧 高血糖 低血糖 体温变化 月经周期的变化 妊娠期 基础代谢等都直接影响脑组织的生化代谢 所以脑波也相应地出现变化 如脑组织酸中毒时 脑血管扩张 脑血流量增加 将引起脑波振幅降低和出现快波化 3 脑电测量及仪器 影响脑电图的因素 年龄和个体差异 意识状态 外界刺激与精神活动 体内生理条件的改变 药物影响 4 肌电测量及仪器 1 肌细胞中的生物电位 肌纤维 肌细胞 主要由肌膜 肌原纤维 肌浆管 线粒体和细胞核组成 肌膜是包被整个肌细胞的外膜 又称为质膜 主要起兴奋和传导作用 肌原纤维是一套收缩结构 肌浆管是肌浆内的膜管状结构 含三联管 横管 纵管 是一套离子转运系统或兴奋 收缩偶联结构 线粒体是一套供能系统 而细胞核则是细胞的控制中心 兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能 也是肌电图形成的基础 肌电图是不同机能状态下骨骼肌电位变化的记录 这种电位变化与肌肉的结构 收缩力学 收缩时的化学变化有关 4 肌电测量及仪器 1 肌细胞中的生物电位 在肌细胞中存在4种不同的生物电位 静息电位 动作电位 终板电位和损伤电位 生理学将细胞安静时膜内为负 膜外为正的现象 称为极化 其电位差称为静息电位 也称跨膜电位或膜电位 静息电位约 90mV 当给肌细胞单个电脉冲刺激时 膜内的负电位消失 井且翻转为正电位 即由 90m 变为 30mV 整个电位变化幅度为120m 如图所示 极化状态被去除以致反转 在生理学上称为去极化 但刺激引起的膜电位反转的时间极为短暂 它很快又恢复到受刺激前的极化状态 这个过程称为再极化 肌细胞兴奋时 膜电位发生去极化和再极化的变化 并向周围扩布 故该过程引起的电位称为动作电位 其持续时间约为0 5 1ms 哺乳类动物神经肌肉接头为板状接头 故称运动终板 用微电极方法可证实运动终板存在自发电活动 称为终板电位 EPP EPP发生于神经接头部位的终板膜 它是一种局部电位 终板电位是一种总合叠加的结果 如果肌肉某处受到损伤 将会导致损伤处膜的极化现象减弱或消失 因此在组织损伤处表面 一 与完整部表面 十 之间将出现一个电位差 这个电位称为损伤电位 IP 其