生物医学传感与检测 6第六章 脑电图与肌电图.ppt

第六章脑电图与肌电图 6 1脑电图6 2肌电图 6 1脑电图 6 1 1脑电图产生的机理 静息状态时 细胞膜对钾离子有特殊的通透性 而钠离子几乎不能通过 于是钾就会从膜内流出膜外 使膜内电位下降 膜外电位升高 形成一定电位差 动作电位在神经元和神经细胞膜上的单向传递 这就是脑电信号产生的机理 cardio 表示 心脏 之义cardiogram心电图缩写 ECG EKGelectrocardiogram心电图 心动电流图cardiograph electrocardiogram心电 流 图electrocardiograph心动电流描记器 心电图仪 encephal encephalo 表示 脑 之义electroencephalogram脑电图 脑动电流图缩写 EEGelectroencephalograph脑电描记器 脑电图仪electroencephalography脑电图学 脑电描记法cortico 前缀 表示 皮 之义electrocorticogram皮层脑电图 myo 表示 肌肉 之义electromyogram肌动电流图electromyograph肌动电流描记器electromyography肌电描记术 肌电图学ocular眼睛的 视觉的 目镜 眼睛electrooculogram眼动电图 眼电 流 图 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EEG 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ECOG 6 1 2脑电信号的一般性质以及分类 1 脑电图的一般性质 1 周期 正常值为8 12HZ 2 振幅 在脑电图中通常从波顶划一直线使其垂直于基线 由这条直线与前后两个波底连线的交点到波顶的距离称为脑电图的平均振幅 3 相位 脑电图的相位有正相和负相之分 以基线为准 波顶朝上者为负相波 波顶朝下者为正相波 6 1 2脑电信号的一般性质以及分类 2 脑电图的分类 1 波 可在头颅枕部检测到 频率为8 13HZ 振幅为20 100uV 它是节律性脑电波中最明显的波 2 波 在额部和颞部最为明显 频率为18 30HZ 振幅为5 20uV 是一种快波 它的出现意味着大脑比较兴奋 3 波 频率为4 7HZ 振幅为10 50uV 它是在困倦时 中枢神经系统处于抑制状态时所记录的波形 4 波 在睡眠 深度麻醉 缺氧或大脑有器质性病变是出现 频率是1 3 5HZ 振幅为20 200uV 6 1 2脑电信号的一般性质以及分类 6 1 2脑电信号的一般性质以及分类 通过头皮电极记录脑电图有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 有利于病灶的定位 但参考电极不能保持零电位 易混进其他生物电干扰双级导联不使用无关电极 只使用头皮上的两个活动电极 这样记录下来的是两个电极部位脑电变化的差值 可以减小干扰 排除误差 3 脑电图的导联 10 20系统电极法 其前后方向的测量是以鼻根到枕骨粗隆连成的正中线为准 将该距离十等分 按10 20 20 20 20 10 的顺序画好记号 在此线左右等距的相应部位定出左右前额点 FP1 FR2 额点 F3 F4 中央点 C3 C4 顶点 P3 P4 和枕点 O1 O2 前额点的位置在鼻根上相当于鼻根至枕骨粗隆的10 处 额点在前额点之后相当于鼻根至前额点距离的2倍即鼻根正中线距离20 处 向后中央 顶 枕诸点的间隔均为20 10 20系统电极的命名源于此 6 1 3脑电图机 脑电图机是用来测量脑电信号的生物电放大器 D115数字视频脑电图仪产地 北科型号 DYD 2000 1 热笔描记式脑电图机 2 无纸脑电图机 3 脑电地形图仪 4 脑电监护仪 5 脑电 Holter 6 脑电分析仪 6 1 4临床脑电仪器的应用情况 脑电图机的原理 通过测量人头皮两电极间脑细胞群电位差来记录脑电随时间而变化的曲线 根据记录的波的频率 波幅 波的形状出现方式不同 可划分为 波 波 波 波 脑电图机根据用途可分为专用型和多用型 最常见的是8导联和12导联脑电图机 6 1 5脑的诱发电位测量 在临床上除了检测自发脑电信号EEG以外 还可以用刺激的方法引起大脑皮层局部区域电活动 称为脑的诱发电位EP evokedpotential 通常是在与感觉通道相对应的感知部位测到 根据脑电与刺激之间的时间关系 可将电位分为特异性诱发电位和非特异性诱发电位 在临床上一般只进行特异性诱发电位的检查 简称EP EP是指中枢神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生的生物电活动 是代表中枢神经系统在特定功能状态下的生物电活动的变化 目前临床上常用的诱发电位有 视觉诱发电位VEP 脑干听觉诱发电位BAEP 体感诱发电位SEP和事件相关电位ERP 1 视觉诱发电位 VEP 视觉诱发电位是指对视网膜给予视觉刺激时 在头皮枕叶部所记录到的由视觉通路产生的电位变化 用于多发性脑硬化 外周神经伤害 神经病的诊断 6 1 5脑的诱发电位测量 2 体感诱发电位 SEP 体感诱发电位是指躯体感觉系统在受外界某一特定刺激后的一种生物电活动 它能反映出躯体感觉传导通路神经结构的功能 6 1 5脑的诱发电位测量 3 听觉诱发电位 AEP 听觉诱发电位是指给予声音刺激 从头皮上记录到的由听觉通路产生的电位活动 听觉诱发电位在脑壳顶部记录 分为早波 中潜伏波和后波 AEP用于听觉欠缺的检查 特别适用于儿童 6 1 5脑的诱发电位测量 采用计算机叠加技术可将这些信号波形从自发电位中提取出来 由于这些信号是刺激事件诱发出来的 故称为事件相关电位ERP方法只不过是在EEG记录方法基础上增加了刺激与叠加处理过程 因此ERP的电极 导联 放大与EEG相同 4 事件相关电位 ERP 6 1 5脑的诱发电位测量 在测量诱发脑电时 从头皮电极引出的信号X t 通常可看作是诱发脑电S t 与噪声N t 的组合 其中噪声主要由是自发脑电造成 X t S t N t 受试者 八道脑电图机 放大器 整形器 刺激器 A D CTC 微处理机 微型计算机 D A 示波器 滤波器 X Y记录仪 诱发脑电平均叠加器 能完成自动限幅叠加或手动叠加 叠加时采样频率为8档 5 2 1 500 200 50 Hz以适应多种需要 由于诱发脑电的研究 通常只是对刺激后500ms内的电活动进行的 叠加起始延时 1 99点 叠加次数 1 256次 利用光标叠加波形的幅值 宽度及时间的测试 能实现滚动显示 冻结显示和压缩显示 可对输入波形进行缩放 仪器的典型技术指标如下 单次叠加的诱发电位图 5次叠加的诱发电位图 25次叠加的诱发电位图 5 光刺激器 6 声刺激器 7 脑电频率分析器 图6 1 4 7脑电频率分析器原理框图 8 头皮电阻检测电路 1 脑电地形图2 高分辨率脑电图 6 1 6脑电图测量的最新技术 2脑 计算机接口 Brain ComputerInterface BCI 简称脑机接口 1991年发表了通过改变脑电信号中的 节律幅度来控制光标移动的成果 提出了一种全新的自动控制概念 大脑驱动控制技术 简称脑电控制 与手动控制 语音控制相比 所谓脑电控制是指利用大脑脉冲信号去控制计算机 发动机和其它装置 实现脑电控制的关键技术是脑 计算机接口 脑机接口的出现 使得用人脑信号直接控制外部设备的想法成为可能 基于脑机接口原理设计的装置有望帮助神经肌肉系统瘫痪的病人实现与外界的交流 例如环境控制 轮椅控制 操作计算机等 1 脑机接口BCI的定义 一种不依赖于大脑外周神经与肌肉正常输出通道的通讯控制系统 它通过采集和分析人脑生物电信号 在人脑与计算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道 这样人就可以通过脑来表达意愿或操纵设备 而不需要语言或肢体动作 2 BCI的组成与特点与其它任何通讯与控制系统一样 BCI也由输入 输出 以及联系二者的中间环节组成 BCI输入 包括大脑行为特征及测量方法 BCI可采用频域特征 如EEG的 B节律等 和时域特征 如慢皮层电位 P300 单个皮层神经元行为电位等 特征测量方法包括 电极类型与位置 参考电平 空间与时间滤波 以及其它检测信号特征的处理方法 中间环节 也称为转换算法 它是BCI的核心 其作用是将大脑电生理输入转化为控制外部设备的输出 输出 可能去控制光标的移动 字母或图标的选择 轮椅的转动等 同时还提供反馈 使用户和BCI能够互相适应 3 BCI的应用BCI初衷是针对运动功能失常病人 脑干损伤 脑瘫患者也可用于运动功能部分失常的患者甚至是正常人群 例如 BCI用于监视远距离行驶的驾驶员或飞行员的注意力 帮助飞行员在高加速度下控制飞机 给宇航员提供在超重或失重状态下控制宇宙飞船手段 用于控制在危险环境操作的机器人 也可作为游戏控制的附加手段等 4 BCI的研究现状按照大脑信号记录位置的不同 可将BCI系统分为3类 单元记录BCI 局部场电位记录BCI 头皮EEG记录BCI 单元记录BCI 植入大脑中 目前主要进行动物实验 如猴子 猫等 也有采用神经电极植入人脑皮层 单元记录BCI可以长时间 对人脑可达3年 记录稳定 高信息量 高信噪比的神经元活动情况 局部场电位BCI 是在皮层表面硬膜内外进行记录 其信息量 信噪比介于单元记录和基于EEG的BCI之间 头皮EEG的BCI 脑电信号反映大脑不同状态 能实时地被提取与分类 且记录简单 无创 因此基于头皮EEG的BCI是研究得最多的 可简单分为4类 1 利用自发EEG节律的频域特性 例如用慢皮层电位 实现二元拼字BCI 即每次只能进行二选一操作 选上希望的字母 分类精度可达70 80 拼字速率为每2min一个字母 用u节律来实现光标移动 字母拼写 神经假肢控制等功能 虚拟键盘 采用两个EEG电极和不同运动想像产生的d和B节律 实现每分4 24字母的拼字速率 2 用特定频率刺激产生视觉诱发电位通过17 58Hz和23 42Hz的调制信号产生了稳定的稳态视觉诱发电位SSVEP 清华大学采用48个不同频率 6 15Hz 间隔0 195Hz 闪烁的发光管产生的SSVEP 信息传输率达60 90b min 远远高于其它BCI系统 特点 仅需很少记录电极 且训练周期很短 只需适应视觉刺激信号 3 在时域利用事件相关电位ERP如P300电位 P300在运动失常病人甚至是脑干损伤病人中相对稳定 将P300成功用于BCI设计中 4 心理作业导致颅顶骨中央EEG信号功率谱的变化 并通过表面拉普拉斯算子可以增强EEG功率谱在头皮上的电位分布 且通过线性与非线性的分类器可以识别 研究了以想像上肢运动为心理作业的BCI系统 采用C3和C4两头皮电极和线性分类器可实现较高的正确识别率 系统对五种心理作业 放松 造句 心算乘法 计数 旋转三维物体 所产生自发EEG信号能够实现较高精度的分类 至今 大多数BCI还处于实验室研究阶段 只有少数研究小组开发的BCI用于实际 5 存在的主要问题和未来发展方向将BCI用于实际还面临很多挑战 主要可归纳为以下4类 1 信息传输率 带宽 即使是有经验的测试者操作最快的BCI系统 目前的最大传输率也才25b min 相当于每分钟3个字符 这对正常的对话与交流仍然太慢 2 高误差率 这是影响信息传输率的重要因素 3 自动化程度 现有BCI系统都需要照顾者的参与 如系统的安装 启动 初始化 关闭等 即使可以由病人自己关闭 但重新启动存在困难 4 环境适应性 大多数BCI系统还只是在安静的实验室环境中进行测试 实际应用可能面临更复杂的环境 包括任务本身的认识程度 情绪反应 注意力 安全因素等 未来发展方向 众多研究集中在运动感觉皮层 前沿研究内容 灵长目动物模型多电极阵列的长期实时记录技术 实用控制类型的最佳解码算法 上肢运动引起运动皮层响应的编码 实现脑部可靠控制的最佳皮层位置的确定 以及最适合于BCI的电生理信号研究等等 尽管人脑的结构和功能极其复杂 但从分子 细胞 系统 全脑和行为等不同次对大脑进行研究和整合 有可能不断提示其奥秘 促进BCI技术的进步 BCI技术的发展 其意义也远远超越了医学范畴 它必定会使人类提高对自身大脑结构与功能的认识 从而更好地保护和利用大脑 6 2 1概述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 肌电图记录的是不同机能状态下骨骼肌的电位变化 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 6 2肌电图 运动神经没有兴奋时肌肉是静息的 此时肌肉内外的离子处于平衡状态 无电位产生 当运动神经将兴奋传递到运动终板时 这种兴奋的冲动便使肌膜对离子的通透性增强 膜外的离子迅速转入膜内 膜内原来的离子也转入膜外 从而产生了动作电位 图1扌衮法肌电图与同步作用力三维同轴曲线图 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EMG 肌电活动是一种快速的电变化 它的振幅是20uV到几个毫伏 频率为2Hz 10kHz 6 2 2肌电图 1 骨骼肌松弛时针电极插入引起插入电位及诱发出现肌电检查 2 肌肉松弛时电静息 3 轻度收缩时单个运动单位的波型 电压 时程的分析 4 最大收缩时运动单位电位密度及波形时程等特征的观察 5 被动牵张时运动单位电位出现的数量及波形特征 1 临床肌电图检查 所谓运动电位就是用来表示肌肉基本功能的单位 它是由一个运动神经元和由它所支配的肌纤维构成的 运动单位为肌肉活动的最小单位 正常运动单位电位的特征 1 波形相位图 2 时程 指运动单位电位从离开基线的偏转起 到返回基线所经历的时间 3 电压 正常肌肉运动单位电位是亚运动肌纤维兴奋时动作电位的综合电位 2 运动单位电位 3 不同程度收缩时的肌电图 1 单纯相 2 混合相 3 干扰相 6 2 3肌电图仪 肌电图仪与脑电图仪十分相似 其主要组成部分是电极 前置放大器 主放大器 辅助设备以及计算机等 图2 52是一典型的机电图机方框图 其主要技术指标如下 置放大器噪声 应小于5uV 灵敏度 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000uV cm 误差为10 扫描速度 1 2 5 10 20 50 100 200ms cm 误差为5 刺激频率 0 2 0 5 1 2 5 10 20