数字化脑电图仪参数解读

殷全喜

数字化脑电图在输入盒已将脑波信号数字化，数据不易受外界噪音的影响。脑波数据是由每一个电极和系统参考电极差分放大所产生的，可以重新配置导联组合。各种参数调节功能可通过软件实现。脑波数据以电子文件形式保存，具有无纸、存储方便等诸多优越性，由于其明显的技术优势，目前数字化脑电图正在迅速取代传统的脑电图仪器而在临床广泛普及。了解和熟知数字脑电图仪的硬件参数，对于每一位脑电图专业技术人员都是非常重要的。笔者参阅了一些有关硬件参数这方面的资料[1-6]，现总结如下。

1 差分放大器

差分放大器是能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，在差分放大器的正负输入端的栅极 1(G 1)和 栅极2(G 2)同时输入一个相同的电压信号(同相输入)时，则输出几乎为0。在正负输入端输入2个不同的电压信号(差分输入)时，使用差分放大器可以消除同相成分的噪声，使其差分放大后同相成分的杂音被抑制、脑波被放大。通过多级连续的电压放大，将微弱的脑电信号放大数百万倍。

2 共模抑制比 (CMRR)

为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，将常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数(用Ad表示)与对共模信号的电压放大倍数(用Ac表示)之比，即：CMRR=Ad/Ac，称为共模抑制比，单位是分贝dB。差模信号电压放大倍数Ad越大，共模信号电压放大倍数Ac越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越优良。即共模抑制比越大，表示非同相成分(脑波信号)与同相成分(杂音)的比也越大。也就是说同相信号的衰减程度越大，则意味着差分放大器的性能越好，CMRR应≥105 dB，同相成分的杂音可减少到原杂音信号的1/180 000。即1 000 mV的同相杂音可衰减为5.5 μV。

3 模数转换器(ADC)

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称A/D转换器)。A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中,这些过程有些是合并进行的。A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。目前数字脑电图所使用的A/D转换器多是12～16 bit的A/D转换器。A/D转换的分辨率=参考电压/(总元素-1)。当A/D为16位，总元素=65536(216)，取参考电压5 mV(5 000 μV)时，分辨率=5 000/(65536-1)= 0.076 29 μV；当A/D为12位时，取参考电压5 mV时，分辨率=50 00/(212-1)=1.22 10 μV。故A/D转换器的位数越大，其分辨率也越高。

4 振幅方向的离散化

亦称量子化。以一定的时间间隔对一个连续的模拟信号进行采样，并将每个采样值(信号的振幅值)转换成一些离散性的数值，这个过程通常称为量子化。对一个输入信号究竟能够以多小的值进行量子化，取决于A/D转换的位数。N位的A/D转换器，量子化的最小刻度为最大振幅(A/D转换的最大电压输入范围)除以2N。例如：①使用一个16位的A/D转换器对一个±500 μV的输入信号进行量子化时，量子化的刻度为输入信号范围1 000 μV除以216=65536,即输入信号的最大振幅值可分为65 536等份,每份的电压是0.015 μV;②12位的A/D转换器对一个±500 μV的输入信号进行量子化时，量子化的刻度为输入信号范围1 000 μV除以4 096(212)，即输入信号的最大振幅值可分为4 096等份,每份的电压是0.2441 μV。所以，A/D转换器的位数越高，得到的波形越平滑，但保存的数据量越多。

5 采样及采样率

采样亦称时间方向的离散化。数字化脑电图记录的核心是模数转换器，其按照一定的时间间隔对信号进行采样(A/D转换)，然后再将这些点连接成曲线图。如果采样频率增高，可以更加细致、更加精确地再现波形，但保存的数据量也随之增多。如果采样频率降低，保存的数据量减少，但可再现的波形的频率成分也随之降低。采样频率至少为模拟信号最高频率的2倍，称为Nyquist频率限制。才能精确地再现原来的模拟信号。最高频率为50 Hz时，采样频率为100 Hz即可。但是实际描记的频率一般仅为采样频率的1/3～1/4。要想记录到60 Hz不失真的脑电波，采样频率应采用200 Hz，若使用500 Hz的采样频率，120 Hz及以下频率的脑波不会失真，显然，满足脑电图临床需求的采样频率应该≥200 Hz。

6 快速傅里叶变换(FFT)

是离散傅氏变换的快速算法，是对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。离散傅里叶变换的快速算法,产生的结果实数部分是频谱,虚数部分为相位。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少,特别是被变换的抽样点数N越多,FFT算法计算量的节省就越明显。傅里叶变换的前提是平稳随机信号。由于对于非平稳随机的脑电信号,不满足绝对可积与能量可积的条件,所以通常用功率谱来描述。

7 输入阻抗

输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题)。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑阻抗匹配问题。

8 电极阻抗

通过头皮或脑与电极之间的相反流向的交流控制，测量成对电极之间或一个电极与众多电极之间平行连接的电极阻值。计算单位：欧姆，脑电图上一般为千欧姆(kΩ)。

9 极性规定

国际脑电图学会技术用语委员会协议规定，在脑电图机差分放大器的输入端1对同一放大器的输入端2为相对的负性时，产生一个向上的笔偏斜。输入端1对同一放大器的输入端2为相对的正性时，产生一个向下的笔偏斜。这种解释与某些其他生物学和非生物学(如电工学、物理学等)领域中的极性解释相反，后者称向上偏斜的波为正性波,而称向下的波为负性波。

10 信/噪比(SNR)

是指信号功率与噪音功率的比值。被放大的信号越微弱,所要求的信/噪比越大。如果脑电放大器输入端的噪音达到100 μV以上,脑电波将被淹没在噪音之中无法分辨。当噪音水平超过2 μV时,与脑电图的低电压活动不易区分,这一点在判断电静息和脑死亡时特别重要。因此,一般要求脑电图仪器的噪音水平不得高于2 μV。

11 极化

由于化学变化而在金属电极上产生的电荷积累，这种逐渐形成的积累，具有直流电作用，经放大后，可产生大幅度的基线缓慢移动伪差。消除方法：将新电极或使用已久的电极，除去包被的纱布，用去污粉轻拭表面污垢，然后将电极浸入氯化钠饱和溶液中， 进行去极化处理。

12 灵敏度

即在一个脑电图放大器中，输入电压对输出笔偏斜的比率。灵敏度的测量单位是每毫米相当于若干微伏，通常以毫米 / 微伏(mm/μV 或μV/mm)方式表示。灵敏度=输入电压/ 输出笔偏斜 =50 μV/5 mm，即每毫米的高度为10 μV。

13 时间分辨率

传统模拟信号脑电图对脑波的时间分辨率是通过改变纸速来实现的，即纸速越快，时间分辨率越高， 标准纸速为 30 mm/s。 数字化脑电图仪的时间分辨率是通过改变每屏显示的时间长度来实现的。常规一般显示每屏10 s。可以调整屏显参数来实现增加或减少时间分辨率。

14 波幅分辨率

亦称为动态范围。是指在脑波最大偏转范围内对电压改变的最小垂直分辨率，分辨率越高，越能反映高电压信号。动态范围用二进制对数单位比特(bit)表示。比特值越大，分辨的电压差越小。第一代数字化脑电图仪的动态范围一般是6比特，第二代为8～12比特，现在的仪器已经发展到12～16比特，可显示4 000 μV的超高振幅脑电活动。

15 高通滤波器

亦称为低频滤波器或时间常数(TC)。当输出端的电压下降到距离基线 37% 时所需用的时间称为 TC。它是一种允许高频成分通过，而滤掉低频成分的设置。当TC=1、0.3、0.1、0.03 s 时，明显衰减的频率分别是 0.15 Hz、0.5 Hz、1.5 Hz和5 Hz。

16 低通滤波器

亦称高频滤波器。脑电图机放大器中，用以衰减讯号中的高频成分而允许低频成分通过的电路。该电路设置即脑电图机中的“滤波” 选择。例如：HF=30，则明显衰减 30 Hz 以上的高频电活动(包括50 Hz交流电)，HF=15，则明显衰减15 Hz以上的电活动，常规描记HF应选用70 Hz。

17 陷波滤波

亦称交流滤波。指有选择地衰减某一频率的信号。假设脑电波形受到市电50 Hz严重干扰，开启50 Hz陷波滤波器，滤波后可以消除50 Hz交流电干扰，得到清晰的波形。

18 定标(CAL)

亦称标准测量。用以测试仪器各通道(笔)的放大性能和决定其比例的高度，通过测试和调整，使全部脑电笔导，处于相同条件下记录的必不可少的措施，以保证仪器各通道在瞬间记录的脑波不失真地同步描记。通常将毫米(mm) 折算为微伏(μV)，例如矩形波的高度为 5 mm 即 50 μV。

19 定标电压

亦称标准电压。脑电图仪中内装的供给各笔(通道)输入一个额定高度的矩形脉冲讯号，以控制和校正各笔(通道)的灵敏度和放大性能。一般分为手动和自动两种输出方式。全部笔(通道)控制的开关，常见的分为 10、20、50、100、200、500和1 000 μV，其中1 000 μV(即1 mV)多用于附加的心电图记录。

20 参考电极

系统参考电极应选用那些不容易因体动等外界因素而受到干扰的电极。最好同时使用2个部位的电极。有的实验使用C3和C4的平均电位作为系统参考电位,系统参考电位：(C3+C4)/2=Vref。系统参考电极导联配置的作用：在脑波记录时，为了检查各电极的放大器是否正常。通常使用各电极与系统参考电极的导联配置记录10 s以上的脑波，以观察是否一致。

21 Z电极

Z电极亦称中性电极。使用差分放大器对脑波信号进行放大时，一般在差分放大器的正、负端连接2个脑电电极。但每个电极还必须有一个参考点。模拟脑电图的参考点为地，通常使用接地电极。数字脑电图规定需要的参考点必须使用安装在身体表面的电极。该电极通常称为Z电极。另外，从系统参考电极信号中检测出的同相信号，也是通过Z电极反馈到参考点，由此消除同相成分的噪声。Z电极一般装在前额部。如果Z电极不连接，则不能有效地排出噪音的干扰，使之无法记录稳定的脑波波形，因此必须安装Z电极。