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文檔簡介

腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)主要參考資料楊玉星,生物醫(yī)學(xué)傳感器與檢測技術(shù),北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005年9月。鄧親愷,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計原理,北京:科學(xué)出版社,2005年5月。王保華,生物醫(yī)學(xué)測量與儀器,上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2003年6月。腦電圖機(jī)——數(shù)字腦電圖儀腦電圖機(jī)——腦電放大器腦電波形(electroencephalogram,EEG)在人腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中始終存在著的伴隨腦神經(jīng)活動所產(chǎn)生的電位活動——腦電圖腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要由神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞這兩種細(xì)胞構(gòu)成。腦電信號產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)神經(jīng)細(xì)胞具有接收刺激和傳導(dǎo)興奮的作用,由細(xì)胞體和突起構(gòu)成,突起分為樹突和軸突。膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)細(xì)胞有支持、營養(yǎng)和保護(hù)作用,但不具有興奮性,不能發(fā)放電沖動。腦電信號即神經(jīng)細(xì)胞的電活動也屬于生物電,生物電分為動作電位和靜息電位兩種?!R回顧腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電圖的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)基本概念在人的大腦皮層中存在著頻繁的電活動,而人正是通過這些電活動來完成各種生理機(jī)能的。大腦皮層的神經(jīng)元具有自發(fā)生物電活動,因此大腦皮層經(jīng)常具有持續(xù)的節(jié)律性電位改變,稱為自發(fā)腦電活動。臨床上用雙極或單極記錄方法在頭皮上觀察皮層的電位變化,記錄到的腦電波稱為腦電圖。記錄到的直接在皮層表面引起的電位變化(例如,進(jìn)行腦外科手術(shù)將顱骨打開時)稱為皮層電圖(electrocorticogram,ECOG)。無論由頭皮或皮層所記錄到的波動的電位,都代表由各種各樣的活動神經(jīng)元電流發(fā)生器產(chǎn)生的容積導(dǎo)體電場的疊加?;靖拍睢涗浤X電及腦電圖的用途通過檢測并記錄人的腦電就可以對人的大腦及神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ缂毙灾袠猩窠?jīng)系統(tǒng)感染、顱內(nèi)腫瘤占位性病變、腦血管疾病、腦損傷及癲痛等)進(jìn)行診斷和治療。腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖的一般性質(zhì)腦電波的分類腦電圖的導(dǎo)聯(lián)腦電圖的一般性質(zhì)腦電圖雖然不是正弦波,但可以作為一種以正弦波為主波的波形來分析,因此腦電圖波形也可以用周期、振幅和相位等參數(shù)來描述。周期、振幅、相位是腦電圖的基本特征。具有正弦波節(jié)律的腦電圖波形頭皮上兩點(diǎn)間電位差隨時間變化的曲線ΔE為電位的變化量腦電圖的一般性質(zhì)——周期(頻率)腦電圖的周期指由一個波底到下一個波底的時間間距或由一個波頂?shù)较乱粋€波頂?shù)臅r間間距在基線上的投影。通常把單位時間內(nèi)出現(xiàn)的正弦波波數(shù)(頻率)的倒數(shù)稱為平均周期。正常人腦電頻率主要在8~12Hz范圍內(nèi)。腦電圖的一般性質(zhì)——振幅在腦電圖中通常從波頂劃一直線使其垂直于基線,由這條直線與前后兩個波底連線的交點(diǎn)到波頂?shù)木嚯x稱為腦電圖的平均振幅。腦電圖的一般性質(zhì)——相位腦電圖的相位有正相與負(fù)相之分。以基線為準(zhǔn),波頂朝上者為負(fù)相波,波頂朝下者為正相波。在記錄兩個部位的腦電波時,應(yīng)予以考慮其相位差。當(dāng)兩個波的相位相差180?時稱為相位倒轉(zhuǎn)。如果其相位相差為零,則稱為同相。相位差一般不用度數(shù)表示,而把其轉(zhuǎn)換成時間軸距離,以ms為單位。腦電波的分類現(xiàn)代腦電圖學(xué)中腦電波的獲取方法根據(jù)頻率與振幅的不同將腦電波分α波、β波、θ波和δ波知識回顧腦電波的分類α波可在頭顱枕部檢測到,頻率為8~13Hz,振幅為20~100μV,它是節(jié)律性腦電波中最明顯的波;整個皮層均可產(chǎn)生α波。α波在清醒、安靜、閉眼時即可出現(xiàn),波幅由小到大,再由大到小規(guī)律性變化,呈棱狀圖形。β波在額部和顳部最為明顯,頻率為14~30Hz,振幅為5~20μV,是一種快波。β波的出現(xiàn)一般意味著大腦比較興奮。θ波頻率為4~7Hz,振幅為10~50μV。在困倦時,中樞神經(jīng)系統(tǒng)處于抑制狀態(tài)時所記錄的波形。δ波頻率為0.5~3Hz,振幅為20~200μV。在睡眠、深度麻醉、缺氧或大腦有器質(zhì)性病變時出現(xiàn)。知識回顧腦電波的分類腦電圖的波形隨生理情況的變化而變化。一般來說,當(dāng)腦電圖由高振幅的慢波變?yōu)榈驼穹目觳〞r,興奮過程加強(qiáng)。當(dāng)腦電圖由低振幅快波轉(zhuǎn)化為高振幅的慢波一時,則意味著抑制過程進(jìn)一步發(fā)展。知識回顧腦電圖在臨床診斷上有極為重要的價值正常的成年人、兒童、老年人的腦電圖均有自己的特點(diǎn)——因人而異清醒和睡眠時的腦電圖不同——因時而異不同疾病患者的腦電圖也各不相同——因病而異現(xiàn)代腦電圖學(xué)已經(jīng)建立起了正常人的腦電圖診斷標(biāo)準(zhǔn)和異常腦電圖診斷標(biāo)準(zhǔn)。知識回顧腦電圖的導(dǎo)聯(lián)導(dǎo)聯(lián)選擇取決于所進(jìn)行的研究目的,有各自的適用條件。例如,類似于心電圖中的Wilson中心電端單極導(dǎo)聯(lián),頭皮上各測量點(diǎn)通過高阻值的相等電阻,連到一個公共點(diǎn)而形成系統(tǒng)的參考點(diǎn),此點(diǎn)仍稱之為中心電端,構(gòu)成腦電的單極導(dǎo)聯(lián)方式。雙極導(dǎo)聯(lián)單極導(dǎo)聯(lián)腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——單極導(dǎo)聯(lián)單極導(dǎo)聯(lián)連接方法記錄的波幅高,異常電活動表現(xiàn)較明顯,但干擾較大。單極導(dǎo)聯(lián)安放示意圖腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——單極導(dǎo)聯(lián)單極導(dǎo)聯(lián)將活動(探查)電極置于頭皮上,并通過導(dǎo)聯(lián)選擇開關(guān)接至前置放大器的一個輸入端。無關(guān)(參考)電極置于耳垂,并通過導(dǎo)聯(lián)選擇開關(guān)接至前置放大器的另一個輸入端。這樣產(chǎn)生于活動電極處的電位變化將作為波形被記錄下來。單極導(dǎo)聯(lián)大致可以記錄到探查電極下腦電位變化的絕對值,即把耳垂的參考電極電位看做相對零電位。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——單極導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)單擊導(dǎo)聯(lián)能記錄活動電極下腦電位變化的絕對值,其波幅較高且較穩(wěn)定,異常波常較局限,這有利于病灶的定位。缺點(diǎn)頭皮電極距離皮層表面還相當(dāng)遠(yuǎn),探查電極記錄到的是電極下直徑3~4cm范圍內(nèi)腦組織電活動的總和,此范圍內(nèi)某一小的局部所產(chǎn)生的電活動,就有可能被周圍組織的電活動所掩蓋。參考電極不能保持零電位,易混進(jìn)其他生物電干擾。例如,當(dāng)顳部出現(xiàn)振幅較大的異常波時,耳垂電極本身就可以記錄到這個異常電位,這種現(xiàn)象稱之為參考電極的活動化。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——雙極導(dǎo)聯(lián)雙極導(dǎo)聯(lián)的兩個電極由于距離短,所以干擾小,定位精確,但波幅較低。雙極導(dǎo)聯(lián)安放示意圖腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——雙極導(dǎo)聯(lián)雙極導(dǎo)聯(lián)不使用無關(guān)電極,只使用頭皮上的兩個活動電極記錄電極間的電位差。兩個頭皮電極通至一個導(dǎo)程??蓪⑾噜彽碾姌O依縱向或橫向連接。一般將前面(或左面)的電極通至放大器正端,將后面(或右面)的電極通到放大器負(fù)端,雙極記錄至少應(yīng)有一種前后串聯(lián)和一種橫行串聯(lián)。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——雙極導(dǎo)聯(lián)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)(1)雙極導(dǎo)聯(lián)記錄下來的是兩個電極部位腦電變化的差值,因此可以大大減小干擾,并可排除無關(guān)電極引起的誤差。(2)雙極導(dǎo)聯(lián)對于某一電極下面有局部病灶產(chǎn)生局部電活動,則能夠比單極導(dǎo)聯(lián)方式更突出地顯現(xiàn)出來。(3)雙極導(dǎo)聯(lián)適合記錄局部性異常波,并能消除無關(guān)電極活動化所造成的誤差。缺點(diǎn)雙極導(dǎo)聯(lián)不適合測量電極間距離很?。ɡ?,在3cm以內(nèi))的情況。距離小使記錄的波幅較低,將來自較大范圍的腦電位視為共模信號,結(jié)果電位差值互相抵消。所以兩電極的距離應(yīng)在3-6cm。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——10~20系統(tǒng)電極法臨床監(jiān)測腦電圖,放置電極最常用的方法是腦電圖學(xué)會國際聯(lián)合會的10~20系統(tǒng)。為了區(qū)分電極和兩大腦半球的關(guān)系,通常右側(cè)用偶數(shù),左側(cè)用奇數(shù)。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——10~20系統(tǒng)電極法前后方向的測量以鼻根到枕骨粗隆連成的正中線為準(zhǔn),將該距離十等分,按10,20,20,20,20,10(%)的順序畫好記號。在此線左右等距的相應(yīng)部位定出左右前額點(diǎn)(FP1,F(xiàn)P2)、額點(diǎn)(F3,F(xiàn)4)、中央點(diǎn)(C3,C4)、頂點(diǎn)(P3,P4)和枕點(diǎn)(O1,O2)。前額點(diǎn)的位置在鼻根上相當(dāng)于鼻根至枕骨粗隆的10%處,額點(diǎn)在前額點(diǎn)之后相當(dāng)于鼻根至前額點(diǎn)距離的兩倍即鼻根正中線距離20%處,向后中央、頂、枕諸點(diǎn)的間隔均為20%。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——10~20系統(tǒng)電極法側(cè)面觀頭頂在面觀基于頭皮4個標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)(鼻根、枕外粗隆、左和右耳前點(diǎn))間的百分比距離而來。腦電圖的導(dǎo)聯(lián)腦電圖的導(dǎo)聯(lián)——注意事項(xiàng)利用腦電圖定位病灶和診斷病情,并非只由一對電極來實(shí)現(xiàn),而是要用多對電極(多個導(dǎo)聯(lián)),根據(jù)不同的情況和要求,連接成不同的方式,記錄多個波形,分析這多個波形的基本特征和相互聯(lián)系才能完成病灶定位和疾病診斷。因此,腦電圖機(jī)有多個放大器和記錄器,一般有8導(dǎo)聯(lián)、16導(dǎo)聯(lián)、32導(dǎo)聯(lián),甚至更多導(dǎo)聯(lián)。腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)腦電圖機(jī)的特點(diǎn)本質(zhì)上,腦電圖機(jī)是用來測量腦電信號的生物電放大器。腦電圖機(jī)的主要單元——腦電放大器的工作原理與心電放大器基本相同。腦電圖機(jī)的特點(diǎn)——與心電放大器比較(1)由于腦電信號的幅值范圍為10~100μV,比標(biāo)準(zhǔn)心電信號小兩個數(shù)量級,因此要求的放大增益要高得多。(2)由于信號太微弱,同樣大小的共模電壓對腦電檢測將會造成更為嚴(yán)重的影響,因此要求腦電放大器有更高的共模抑制比,一般為100dB。(3)噪聲電壓應(yīng)在1μV以下,供給前置放大級的電源紋波電壓應(yīng)小于0.5mV。(4)為了防止極可能出現(xiàn)的基線漂移,對電極也有更嚴(yán)格的要求,應(yīng)采用Ag-AgCl非極化電極,以減少極化電壓影響和提高穩(wěn)定性。(5)由于腦電電極比心電電極要小得多,因此具有較高的信號源阻抗,這就要求腦電放大器有更高的輸入阻抗(大于5MΩ)。腦電圖機(jī)的特點(diǎn)——臨床檢查的特殊要求(1)由于腦電信號一般由若干個頭部電極從統(tǒng)一的部位引出,引出的電極線有若干根,因此經(jīng)常采用中間接線盒(又稱輸入盒),電極引出線直接與輸入盒相連,通過輸入盒引出線再將腦電信號送到腦電圖機(jī)中去。(2)由于導(dǎo)聯(lián)數(shù)較多,而且為了觀察腦電場分布的對稱情況和瞬時變化,一般要求進(jìn)行同步記錄。因此必須有多通道的放大器和記錄器同時工作。常見的有8導(dǎo)聯(lián)、16導(dǎo)聯(lián)、32導(dǎo)聯(lián)等。(3)為了便于分析各導(dǎo)聯(lián)腦電信號波形之間的相互聯(lián)系,機(jī)器內(nèi)設(shè)置了時鐘信號和定標(biāo)信號。腦電圖機(jī)的特點(diǎn)——臨床檢查的特殊要求(續(xù))(4)腦電圖機(jī)還應(yīng)設(shè)有電極-皮膚接觸電阻測量裝置,以估測接觸電阻,提示采取改進(jìn)措施來保證良好的接觸。一般接觸電阻應(yīng)小于20kΩ,如果超過此值,則必須清潔皮膚,處理電極和采用更好的電極膏。為保證人身安全和測量的準(zhǔn)確,測量電源應(yīng)采用交流恒流源和隔離電源。(5)由于腦電信號幅值變化比較大,故要求增益控制能有更多擋級,包括粗、細(xì)調(diào)節(jié),定標(biāo)電壓也設(shè)置有多種幅值。(6)由于腦電信號的頻率差別變化顯著,為了適應(yīng)各種不同頻率波形記錄的需要,腦電放大器應(yīng)有各種不同頻率的通頻帶濾波器,并隨時都可以轉(zhuǎn)換。(7)時間常數(shù)、走紙速度均應(yīng)有多擋的選擇。腦電圖機(jī)——基本結(jié)構(gòu)腦電圖機(jī)包括輸入盒、低噪聲和高輸入阻抗EEG前置放大器,實(shí)現(xiàn)EEG的導(dǎo)聯(lián)選擇、頻段選擇、靈敏度選擇等?,F(xiàn)代的腦電圖機(jī)設(shè)計,通常由計算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。腦電圖機(jī)——基本結(jié)構(gòu)腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)腦的誘發(fā)電位測量腦組織的各向異性的電學(xué)特性,往往引起頭皮描記的腦電圖圖形變?nèi)?,而且模糊不清??傊?,相對來說腦電測量中對信號的各種干擾因素較多。在臨床上除了檢測自發(fā)腦電信號腦電圖以外,還可用刺激的方法引起大腦皮層局部區(qū)域電活動,稱為腦的誘發(fā)電位(evokedpotential,EP)。測量部位:腦的誘發(fā)電位通常是在與刺激感覺通道相對應(yīng)的感知部位測量。腦的誘發(fā)電位測量的意義/用途腦的誘發(fā)電位是用于尋找感覺投射部位的重要方法,在研究皮層功能定位方面起著重要的作用。在臨床上也逐漸應(yīng)用于神經(jīng)、中樞疾患的診斷。誘發(fā)電位的形成和出現(xiàn)與特定的刺激有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系,故通過誘發(fā)電位可以反映出神經(jīng)系統(tǒng)的功能與病變,誘發(fā)電位是指中樞神經(jīng)系統(tǒng)在感受外在或內(nèi)在刺激過程中產(chǎn)生的生物電活動,是代表中樞神經(jīng)系統(tǒng)在特定功能狀態(tài)下的生物電活動的變化。腦的誘發(fā)電位的特點(diǎn)誘發(fā)電位很弱,幅度在0.1~10μV范圍。由于皮層隨時產(chǎn)生自發(fā)腦電波,誘發(fā)電位出現(xiàn)在自發(fā)腦電波的背景上面。而頭皮腦電波幅度在2~100μV范圍,所以誘發(fā)電位完全被自發(fā)腦電所淹沒。腦的誘發(fā)電位的測量方法目前在臨床測量中,對誘發(fā)電位的提取主要依靠平均技術(shù)。平均技術(shù)的理論依據(jù)是,誘發(fā)電位與刺激有鎖時(相關(guān))關(guān)系,而背景噪聲與刺激無特定時間關(guān)系,這樣經(jīng)過多次疊加,與刺激無關(guān)的噪聲(n)逐漸衰減,而與刺激有鎖時關(guān)系的信號(s)以代數(shù)和的方式逐漸增大,最后將疊加總和除以疊加次數(shù)得到誘發(fā)電位。這就是平均疊加技術(shù),簡稱為平均技術(shù)。目前臨床上常用的誘發(fā)電位有視覺誘發(fā)電位、腦干聽覺誘發(fā)電位、體感誘發(fā)電位和事件相關(guān)電位。它們分別是由光刺激、聲刺激和軀體感覺刺激而引起的。目前的大部分腦電圖機(jī)配備有聲刺激器、光刺激器、電子刺激器、腦電頻率分析器以及記錄裝置等輔助儀器。誘發(fā)電位的類型(1)視覺誘發(fā)電位視覺誘發(fā)電位是指對視網(wǎng)膜給予視覺刺激時,在頭皮枕葉部所記錄到的由視覺通路產(chǎn)生的電位變化,其刺激方式是用閃光刺激或視覺圖形刺激。眼睛固定注視中心,刺激頻率為1~2Hz。用途:目前視覺誘發(fā)電位已用于多發(fā)性腦硬化、外周神經(jīng)傷害、神經(jīng)病等的診斷。(1)視覺誘發(fā)電位視覺誘發(fā)電位幅度范圍為1~20μV,帶寬為1~300Hz,持續(xù)時間為200ms。視覺誘發(fā)電位常以P表示正相波,以N表示負(fù)相波,有時以平均潛伏期(latency)作為下角注,如P100表示潛伏期為100ms的正相波峰。視覺誘發(fā)電位圖刺激次數(shù)n=64,帶寬2~300Hz,s為刺激起點(diǎn)(2)體感誘發(fā)電位體感誘發(fā)電位是指軀體感覺系統(tǒng)在受外界某一特定刺激(通常是脈沖電流)后的一種生物電活動,能反映出軀體感覺傳導(dǎo)通路神經(jīng)結(jié)構(gòu)的功能。體表電極放置在感知皮層上測量。體感誘發(fā)電位的刺激方式有恒壓器和恒流器兩種,恒壓刺激器的輸出范圍為0~1V,恒流刺激器的輸出范圍為0~100mA。刺激強(qiáng)度通常選用感覺閾上四倍或運(yùn)動閾上兩倍,方波寬度為100~500μs。用途:體感誘發(fā)電位提供了有關(guān)外周神經(jīng)纖維和皮層之間的脊柱通路的信息。(2)體感誘發(fā)電位體感誘發(fā)電位測量方法及波形圖(3)聽覺誘發(fā)電位聽覺誘發(fā)電位是指給予聲音刺激,從頭皮上記錄到的由聽覺通路產(chǎn)生的電位活動,因其電位源于腦干聽覺通路,故又稱為腦干聽覺誘發(fā)電位。腦干聽覺誘發(fā)電位的刺激源為脈寬200μs的方波電信號,經(jīng)過換能器轉(zhuǎn)換成短聲,其極性依其耳機(jī)振動膜片的方向而定,當(dāng)振動膜片靠向患者鼓膜時,該刺激為密波短聲,反之為疏波短聲。臨床神經(jīng)學(xué)研究中,常用疏波短聲為刺激聲,刺激頻率為10~15Hz,強(qiáng)度高于聽力閾60dB。(3)聽覺誘發(fā)電位(續(xù))腦干聽覺誘發(fā)電位的神經(jīng)學(xué)檢查主要采用單耳刺激,這樣可避免產(chǎn)生假陰性結(jié)果。所謂單耳刺激是指對健耳給予白噪聲刺激,以消除骨傳導(dǎo)的影響,通常給予對側(cè)掩耳以小于同側(cè)耳刺激聲30~40dB的白噪聲刺激強(qiáng)度。記錄位置:腦干聽覺誘發(fā)電位在頭皮上記錄。可用咔噠聲、爆發(fā)聲或白噪聲等作為刺激方式。用途:腦干聽覺誘發(fā)電位用于聽覺缺欠的檢查,特別適合于兒童。(3)聽覺誘發(fā)電位(續(xù))腦干聽覺誘發(fā)電位波形分別稱為早波(腦干響應(yīng),1~8ms的潛伏期)、中潛伏期波(8~50ms)和后波,又稱慢波(50~500ms)。早波中,前10ms響應(yīng)與腦干活動有關(guān),腦干誘發(fā)電位幅度很低(約0.5μV),腦干聽覺誘發(fā)電位有100~3000Hz帶寬。膠質(zhì)層腦干聽覺誘發(fā)電位波形皮層腦干聽覺誘發(fā)電位波形(4)事件相關(guān)電位EEG技術(shù)所觀察到的只是頻率或頻段的波幅域數(shù)值(如功率譜等),而丟失了與腦功能相關(guān)的時間與波形特性。實(shí)際上EEG是腦的自發(fā)電位,在自發(fā)電位水平上并沒有觀察到腦的高級功能活動所產(chǎn)生的腦電信號本身。腦的高級功能活動產(chǎn)生的腦電信號通常比自發(fā)電位小,被淹埋在自發(fā)電位中而難以觀察。采用計算機(jī)疊加技術(shù)可將這些信號波形從自發(fā)電位中提取出來。由于這種信號是刺激事件(包括物理刺激和心理因素)誘發(fā)出來的,故又稱誘發(fā)電位或事件相關(guān)電位。通常所謂ERP皆指與心理因素有關(guān)的刺激所引起的腦電信號。(4)事件相關(guān)電位欲提取聽覺ERP,需對被試者施以多次重復(fù)刺激“S”?!癝”的箭頭指的是刺激出現(xiàn)的時刻。未疊加前刺激所誘發(fā)的ERP被淹埋在自發(fā)電位中而不能觀察到。EEG波形與聽覺ERP波形及二者關(guān)系的示意EEG從頭皮引出后經(jīng)過放大所直接獲得的EEG波形(4)事件相關(guān)電位(續(xù))ERP方法只不過是在EEG記錄方法基礎(chǔ)上增加了刺激與疊加處理過程,因此ERP的電極、導(dǎo)聯(lián)、放大與EEG相同。聽覺ERP按潛伏期的長短可大體分為四類。小于10ms為早成分,10~50ms為中成分,50~500ms為晚成分,大于500ms者為慢波。每一類ERP皆包含數(shù)個波。與腦的高級功能關(guān)系最大、研究得最多的是晚成分與慢波。圖中出現(xiàn)的P300(300ms時間處)的幅值和潛伏期與心理因素和工作記憶的難度相關(guān)。(4)事件相關(guān)電位(續(xù))ERP與刺激之間,相對于同一EEG而言具有兩個恒定:同一被試者在同一條件下各次刺激所誘發(fā)的ERP波形恒定潛伏期(從刺激開始至ERP出現(xiàn)的間隔時間)恒定(4)事件相關(guān)電位—提取ERP的基本原理取每次刺激后同時間的一段EEG波形,按刺激出現(xiàn)時刻對齊相加,ERP將與疊加次數(shù)成正比而增大。EEG不存在上述兩個恒定,它相對于刺激而言隨機(jī)變化,故只與疊加次數(shù)的平方根成正比而增大。若疊加100次,則ERP增大為原來的100倍,而EEG增大為原來的10倍。若疊加前ERP幅度5μV,EEG幅度20μV,ERP僅為EEG的1/4,被淹埋在自發(fā)電位中而看不出來。疊加后ERP幅度變?yōu)?00μV,EEG幅度變?yōu)?00μV,ERP變?yōu)镋EG的2.5倍,于是可以顯現(xiàn)出來。(4)事件相關(guān)電位—提取ERP的基本原理通常EEG被視為ERP(信號)的噪聲,于是疊加的作用使ERP的信噪比得到了顯著提高。疊加后的ERP值除以疊加次數(shù)則恢復(fù)為疊加前的值。該值實(shí)際上是誘發(fā)電位多次相加后的平均值,故ERP又稱平均誘發(fā)電位。(5)光刺激器光刺激周期性閃光信號的刺激黑白相間的方格圖案模式刺激光刺激除了能產(chǎn)生閃光刺激外,還能產(chǎn)生方格刺激、豎條、橫條及局部光刺激信號。方格轉(zhuǎn)換模式比閃光刺激取得的VEP更為穩(wěn)定,更能準(zhǔn)確地反映視覺通道生理狀態(tài)的變化。(5)光刺激器目前,在VEP技術(shù)中,光刺激器大多采用方格轉(zhuǎn)換模式,即按一定頻率進(jìn)行黑變白、白變黑的變化進(jìn)行刺激。通常翻轉(zhuǎn)的速率為0.23s,0.47s,0.94s,1.88s,3.75s,7.5s,15s,30s。橫豎條光帶數(shù)以二進(jìn)制進(jìn)到128。光刺激器的各種圖形的光強(qiáng)由電視機(jī)顯像管產(chǎn)生,其基本原理是產(chǎn)生各種圖形的全電視信號。(5)光刺激器光刺激器的結(jié)構(gòu)原理框圖(5)光刺激器由石英晶體振蕩器組成的時鐘信號發(fā)生器產(chǎn)生振蕩頻率為7.86432MHz的時鐘信號,它可提供水平定時脈沖和垂直幀頻信號,并同時產(chǎn)生同步脈沖和消隱脈沖,供監(jiān)視器同步。監(jiān)視器上的圖像由圖像控制器控制產(chǎn)生各種模式的刺激,如閃光、局部方格和光帶等。信號混合器將各種信號混合,輸出到監(jiān)視器的視頻放大器,以控制監(jiān)視器并產(chǎn)生各種方格和條形圖像。監(jiān)視器上的圖像亦可由調(diào)制器的輸入波形來決定。每次模式翻轉(zhuǎn)都將產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖輸出,使平均器和光刺激器保持同步,獲得穩(wěn)定的VEP波形。(6)聲刺激器對病人進(jìn)行聲音刺激時應(yīng)從安放在頭頂和同側(cè)耳葉的電極上檢測出AEP。峰-峰值只有自發(fā)腦電圖的1%,因此必須利用計算機(jī)平均技術(shù),才能從自發(fā)腦電信號EEG和其他噪聲中提取出AEP。通常用來進(jìn)行腦干聽覺誘發(fā)電位的聲刺激器的刺激頻率對成人為10~20次/s,對新生兒為10次/s,其頻率范圍為0~75Hz。臨床上常用單耳診斷,即一邊耳朵加聲刺激,另一邊耳朵用白噪聲掩蓋。聲刺激的形式除使用單頻外,還可使用脈寬為100~300μs的咔噠聲,強(qiáng)度從10dB開始,以10dB為一擋遞增至100dB。(6)聲刺激器咔噠聲重復(fù)頻率發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號;觸發(fā)咔噠聲發(fā)生器輸出100μs脈寬的脈沖,由咔噠聲極性選擇器轉(zhuǎn)換成正向或負(fù)向或正負(fù)相間的刺激信號,以識別AEP中出現(xiàn)的偽跡。通過功能放大器和衰減器輸出信號推動受話器(俗稱耳機(jī))產(chǎn)生10~100dB可調(diào)的咔噠聲,以進(jìn)行單耳聲刺激檢查。(7)腦電頻率分析器腦電圖是由不同頻率、不同幅度和不同波形的腦電波組成的,反映了通過感覺器官的各種信息的傳遞、處理過程,腦電波具有非常大的信息量。一般腦電圖包含有0.5~60Hz的頻率成分,其中1~30Hz特別重要,所以一般都在這個范圍內(nèi)進(jìn)行分析。(7)腦電頻率分析器腦電信號來自腦電圖機(jī)的輸出或直接來自電極,經(jīng)輸入選擇和電平調(diào)整后送入前置放大器,然后輸出到帶通濾波器。腦電頻率分析器的結(jié)構(gòu)原理框圖(7)腦電頻率分析器每一通道有五個通帶,可以用下列兩種中的任何一種。Ⅰ:2~4Hz,4~8Hz,8~13Hz,13~20Hz,20~30HzⅡ:1~2Hz,2~4Hz,4~8Hz,8~13Hz,13~20Hz帶通濾波器一般采用三級或四級參差連接或采用高階帶通有源濾波器、檢波器全波檢出腦電信號,經(jīng)積分器積分送到取樣保持電路。腦電頻率分析器可以把腦電信號的積分值進(jìn)行描記、比較。(8)頭皮電阻檢測電路頭皮電阻的測量是腦電圖機(jī)組成的必要單元之一,電極與頭皮的接觸好壞,影響著電極接觸電阻的大小。電極——皮膚電阻愈小,引入的交流干擾就愈小,得到的波形質(zhì)量就越高、越穩(wěn)定。當(dāng)電極與頭皮的接觸松動時,電極與頭皮的接觸會隨病人的呼吸或身體、面部動作而改變,將導(dǎo)致腦電圖的偽差波形。(8)頭皮電阻檢測電路多諧振蕩器輸出的脈沖電壓經(jīng)電阻R1、R2分壓后,又由R3經(jīng)模擬開關(guān)與人體兩電極之間電阻ZC進(jìn)行分壓,加到比較器A1的同向輸入端。如果人體電極接觸電阻較大(ZC≥50kΩ),則分壓后加入比較器同向輸入端的脈沖電壓瞬時值將超過反向輸入端的基準(zhǔn)電壓,此時比較器A1翻轉(zhuǎn),輸出正向脈沖,經(jīng)二極管VD1和電阻R8、R9加到晶體管VT1的基極上,晶體管導(dǎo)通,發(fā)光二極管LED閃亮,便可知相應(yīng)電極接觸不良。腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)臨床腦電儀器的應(yīng)用情況(1)熱筆描記式腦電圖機(jī)(2)無紙腦電圖機(jī)(3)腦電地形圖儀(4)腦電監(jiān)護(hù)儀(5)腦電“Holter”(6)腦電分析儀臨床腦電儀器的應(yīng)用情況(續(xù))(1)熱筆描記式腦電圖機(jī)是臨床應(yīng)用最為廣泛的一種腦電圖機(jī)。它一般配置8~16導(dǎo)電極,用筆式記錄器將腦電圖記錄在紙上。(2)無紙腦電圖機(jī)由放大器、配有A/D轉(zhuǎn)換器的計算機(jī)及打印機(jī)所組成,一般也配置8~16個電極。有的無紙腦電圖機(jī)還具有一定的分析功能。(3)腦電地形圖儀至少要配置16個電極,且打印機(jī)能輸出彩色圖像。腦電地形圖儀原理是把按國際10~20系統(tǒng)安放在頭皮上的電極位置投影到一個平面上,然后利用信號處理的方法計算每一個信號的功率譜,并加以插值,繪出頭皮上腦電信號功率譜強(qiáng)度的分布。臨床腦電儀器的應(yīng)用情況(續(xù))(4)腦電監(jiān)護(hù)儀除了能實(shí)時地、連續(xù)不斷地顯示腦電波形外,還應(yīng)具有存儲功能、數(shù)據(jù)管理功能,能像心電監(jiān)護(hù)儀那樣具有報警功能。(5)腦電“Holter”——動態(tài)腦電長時間記錄儀。它一般配置3~16個電極,應(yīng)具有存儲24h腦電信號的能力。若采樣頻率按100Hz,A/D轉(zhuǎn)換器的精度按8bit計,那么單個導(dǎo)聯(lián)24h的數(shù)據(jù)量是8.64MB,16導(dǎo)聯(lián)則是138MB。如此大量數(shù)據(jù)的存儲,放大器的小型化及放大器的供電是腦電“Holter”的關(guān)鍵技術(shù)。(6)腦電分析儀既包括腦電“Holter”的回放分析系統(tǒng),也包括一般意義上的腦電分析系統(tǒng)。腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)腦電圖測量的最新技術(shù)腦電地形圖高分辨率腦電圖腦-計算機(jī)接口技術(shù)腦電地形圖傳統(tǒng)的自發(fā)腦電圖檢測和分析主要利用目測,分析各種節(jié)律的頻率、病理波、誘發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果,等等。在同一分析者對同一份圖在不同時間的閱讀,或者不同分析者對同一份圖的閱讀中,所得的結(jié)果往往有較大的偏差,而且在描述中所用的“陣發(fā)”、“爆發(fā)”、“短程”、“長程”、“很多”、“少數(shù)”等概念,往往很難有具體界限,對于一些細(xì)微的不對稱,或是彌漫異常背景中的局灶改變,往往不易發(fā)現(xiàn),所謂“正?!?、“輕度正?!庇袝r更不易找到明確的界限及確定其臨床意義。為了克服這種缺陷,定量腦電圖(quantitativeEEG,QEEG)就應(yīng)運(yùn)而生了。腦電地形圖(續(xù))定量腦電圖的實(shí)質(zhì)是利用計算機(jī)對各個放大通路的信號進(jìn)行閱讀,根據(jù)不同信號的頻率進(jìn)行分類,并按出現(xiàn)的時間及波幅的總和之比求出均值,從而直接對各類關(guān)系進(jìn)行計算,同時把所求得的數(shù)值以不同的顏色加以顯示,以此為基礎(chǔ)向臨床診斷提供新的參數(shù)。定量腦電圖將使用與傳統(tǒng)腦電圖診斷完全不同的概念,從而使腦的電生理檢查從一種功能推測發(fā)展成為一種可以對腦電活動進(jìn)行準(zhǔn)確計算、直接顯示的檢查方法,使之更加客觀、準(zhǔn)確,更具有可比性。它不再是用“正常”或“不正?!边@樣主觀的描述,而是以有沒有“顯著性差異”作為診斷標(biāo)準(zhǔn)。腦電地形圖(續(xù))定量腦電圖研究最早也是最為成熟的技術(shù)是腦電地形圖(brainelectricalactivitymapping,BEAM)。腦電地形圖就是在腦電圖技術(shù)基礎(chǔ)上,用計算機(jī)對EEG信號進(jìn)行二次處理,將曲線波形轉(zhuǎn)變成能夠定位和定量的彩色腦波圖像。腦波的定量可用數(shù)字或顏色來顯示:其圖像類似二維CT平面,使大腦的變化與形態(tài)定位結(jié)合起來,更準(zhǔn)確、更直觀。腦電地形圖(續(xù))腦電地形圖腦電地形圖的原理腦電地形圖的臨床應(yīng)用腦電地形圖的原理腦電功率地形圖顯示的是腦電δ、θ、α、β各個頻段的功率沿頭皮表面的空間分布,其構(gòu)成是通過計算機(jī)對多導(dǎo)原始腦電圖進(jìn)行二次處理。先計算出各節(jié)律在不同頭皮位置上的功率,然后再通過差值計算,得出做圖所需的像素值,并用彩色或灰度表達(dá)其強(qiáng)弱,構(gòu)成能定量反映大腦機(jī)能變化的分布圖像,從而把復(fù)雜多變的腦機(jī)能變化,變成通俗易懂的圖形。腦電地形圖的原理(續(xù))根據(jù)像素值所代表的物理參數(shù)不同以及顯示方式的不同,又可構(gòu)成不同意義的其它地形圖。例如,反映任一時刻空間腦電電位分布的腦電等電位圖,將腦電地形圖資料與相應(yīng)對照的腦電地形圖進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理,轉(zhuǎn)換成以檢驗(yàn)統(tǒng)計量作為像素值進(jìn)行顯示的顯著性概率地形圖,反映不同頻段組合之間比例的百分比地形圖,按時間順序排列連續(xù)動態(tài)顯示的活動地形圖,等等。81可編輯常用的腦電功率地形圖的原理①腦電電極的放置按照國際標(biāo)準(zhǔn)的10~20系統(tǒng)放置電極采集腦電信號。②A/D轉(zhuǎn)換通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬腦電信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。③FFT變換將采集到的腦電信號,按照FFT的原理,用計算機(jī)進(jìn)行FFT計算,轉(zhuǎn)換成能反映能量的功率譜形式。常用的腦電功率地形圖的原理④頻帶分類通過傅里葉變換后的腦電功率信號,按不同頻率進(jìn)行分類,δ頻帶為2~3.8Hz,θ頻帶為4~7.8Hz,α1頻帶為8-9.8Hz,α2頻帶為10~12.8Hz,β1頻帶為13~19.8Hz,β2頻帶為20~29.8Hz。⑤插值計算根據(jù)已經(jīng)采集的12~16個電極點(diǎn)的腦電功率值,推算出大腦其他部位的功率值,方法是按照二維內(nèi)插原理的方法以16個點(diǎn)標(biāo)出2500個點(diǎn)的數(shù)值。常用的腦電功率地形圖的原理⑥求等效電位并打印根據(jù)插值公式求出大腦各部腦波的數(shù)值,按其電位大小分成不同的等級,等級用數(shù)字1-9顯示,也可用不同顏色和符號顯示,電位值相等的自然連成一片。因此構(gòu)成不同顏色和數(shù)字的圖像,然后再將此結(jié)果打印在顱腦模型上,即形成腦電地形圖。腦電地形圖腦電地形圖的原理腦電地形圖的臨床應(yīng)用腦電地形圖的臨床應(yīng)用腦電地形圖具有腦電圖所不能比擬的優(yōu)越性,在臨床上具有重要的診斷價值和廣闊的應(yīng)用前景①用于各種腦血管病的診斷。例如,腦血管意外、腦動脈硬化和腦供血不足,局部缺血后遺癥以及反應(yīng)性頭痛。②各種腦腫瘤的定位。腦電地形圖對大腦半球腫瘤的診斷比常規(guī)腦電圖的檢出率高,定位準(zhǔn)確,能顯示腫瘤部位及其壓迫所致的機(jī)能障礙程度及范圍。③癲痛、癡呆、心理學(xué)及精神分裂癥。腦電圖測量的最新技術(shù)腦電地形圖高分辨率腦電圖腦-計算機(jī)接口技術(shù)常規(guī)腦電圖的優(yōu)點(diǎn)常規(guī)腦電圖是指頭皮表面記錄到的頭皮電位信號。與其他腦功能顯示分析手段相比,腦電圖的突出優(yōu)點(diǎn)是時間分辨率較高,容易做到毫秒級的水平。這是其他腦功能成像手段所達(dá)不到的。腦磁圖(MEG)也有類似能力,但是其設(shè)備與維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)高于腦電圖。常規(guī)腦電圖的缺點(diǎn)傳統(tǒng)腦電圖技術(shù)存在一個嚴(yán)重缺陷是其空間分辨率太低,遠(yuǎn)不能滿足認(rèn)知及神經(jīng)科學(xué)研究的需要。因此,如何提高腦電圖的空間分辨率是技術(shù)上一項(xiàng)值得研究的課題。增加頭皮上測量電極的數(shù)目能否提高腦電圖的空間分辨率?由于顱骨的低電導(dǎo)率不但削弱了頭皮電位的強(qiáng)度,而且使得頭皮電位的分布變模糊,其作用相當(dāng)于對電位分布施加了低通空間濾波,而這種空間模糊效應(yīng)是不可能通過增加電極來改善的。據(jù)推算,此空間低通濾波器的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(即顱骨內(nèi)的點(diǎn)源在頭皮上擴(kuò)散的面積)為直徑約2.5cm的圓斑,所以電極數(shù)目增加到128~256導(dǎo)后(此時電極間距為1.95~2.25cm)再繼續(xù)增加是沒有意義的。高分辨率腦電圖提高腦電圖空間分辨率更好的辦法是,依據(jù)電磁場的基本規(guī)律,由頭皮測得電位,再逆推皮層表面上的電位分布,從而克服顱骨層的低通作用。這是腦電分析技術(shù)在20世紀(jì)80年代后期以來的一項(xiàng)重要進(jìn)展。這樣推算得的皮層上的電位分布稱為“高分辨率腦電圖”(highresolutionEEG,HREEG)。此后又陸續(xù)提出了多種推算方法。各種高分辨率腦電推算方法都建立在這樣一個事實(shí)的基礎(chǔ)上:從皮層到頭皮之間(包括腦脊液、顱骨和頭皮)基本上是無源區(qū),其電磁過程可用似穩(wěn)電流場的Laplace(拉普拉斯)方程和微分形式的歐姆定律來描述。結(jié)合考慮適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,上述區(qū)域的電位分布是可以較準(zhǔn)確地定量求解的。高分辨率腦電圖已經(jīng)提出的幾種高分辨率腦電圖推算方法包括解析求解法數(shù)值求解法(如有限元法和邊界元法)皮層成像技術(shù)(corticalimagingtechnique,CIT)……高分辨率腦電圖HREEG是在建立各種頭模型以后運(yùn)用上述各種算法得到的。生理學(xué)研究證明腦內(nèi)電活動不是彌散的,而是分團(tuán)聚集的。不同的刺激或任務(wù)引起的聚集區(qū)不同,而且還隨時間動態(tài)變化。HREEG取得了皮層上更清晰的腦電活動映像,為人們進(jìn)一步分析腦電與感知刺激或認(rèn)知任務(wù)的聯(lián)系提供了條件。HREEG能表現(xiàn)皮層區(qū)域與認(rèn)知任務(wù)相聯(lián)系的亞秒級激活狀態(tài)。當(dāng)思維集中時,認(rèn)知功能能產(chǎn)生對信息的一種暫時的內(nèi)部表象,其持續(xù)時間只有幾百毫秒。HREEG有表現(xiàn)皮層區(qū)這種亞毫秒級電活動的能力。認(rèn)知試驗(yàn)任務(wù)分輕、重兩級。高分辨率腦電圖①要求受試者判斷熒光屏上本次出現(xiàn)的文字刺激其空間位置或字符形狀是否與三次前的刺激情況相匹配。此為“重任務(wù)”,因?yàn)樗笫茉囌咄瑫r記住前三次字符序列的形狀和位置,而且每出現(xiàn)一次新刺激,他就需要把記憶更新一次,記住最新的一個,同時丟掉最早的一個。②在另一種任務(wù)中只要求受試者判斷本次刺激的字符或位置是否與前一次一致。此為“輕任務(wù)”。這種模式的電活動發(fā)生在刺激后400-600ms之間,其持續(xù)時間只有幾百毫秒。此外,在多種認(rèn)知試驗(yàn)或生理、病理分析中均有應(yīng)用HREEG的報道。HREEG為腦內(nèi)神經(jīng)電活動的功能成像開拓了新的前景。但是要加以運(yùn)用還需要更多的試驗(yàn)和研究。腦電圖測量的最新技術(shù)腦電地形圖高分辨率腦電圖腦-計算機(jī)接口技術(shù)腦-計算機(jī)接口技術(shù)腦-計算機(jī)接口BCI(Brain-ComputerInterface)技術(shù),簡稱腦-機(jī)接口,是指一種不依賴于大腦外周神經(jīng)與肌肉正常輸出通道的通信控制系統(tǒng)。它通過采集和分析人腦生物電信號,在人腦與計算機(jī)或其他電子設(shè)備之間建立起直接交流和控制的通道,這樣人就可以通過腦來表達(dá)意愿或操縱設(shè)備,而不需要語言或肢體動作。腦-計算機(jī)接口技術(shù)為幫助嚴(yán)重運(yùn)動障礙的殘疾人解決通信交流和環(huán)境控制問題,早在20世紀(jì)80年代已有不少研究。1991年Wolpaw等發(fā)表了通過改變腦電信號中的拌節(jié)律幅度來控制光標(biāo)移動的成果,提出了一種全新的概念——大腦驅(qū)動控制技術(shù)。大腦驅(qū)動控制技術(shù)使得人可以通過腦來表達(dá)意愿或操縱設(shè)備,而不需要語言或肢體動作。人們開始嘗試把腦-機(jī)接口應(yīng)用于康復(fù)工程,幫助神經(jīng)肌肉系統(tǒng)癱瘓的病人實(shí)現(xiàn)與外界的交流(例如環(huán)境控制、輪椅控制、操作計算機(jī)等)。腦-計算機(jī)接口技術(shù)腦-機(jī)接口的組成與特點(diǎn)腦-機(jī)接口的應(yīng)用腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀(1)腦-機(jī)接口的組成與特點(diǎn)與其他任何通信與控制系統(tǒng)一樣,腦-機(jī)接口也由輸入、輸出以及聯(lián)系二者的中間環(huán)節(jié)組成。腦-機(jī)接口的輸入包括大腦行為特征及測量的方法腦-機(jī)接口可采用頻域特征(如EEG的μ、B節(jié)律等)和時域特征(如慢皮層電位、P300、單個皮層神經(jīng)元的行為電位等)。特征的測量方法包括電極類型與位置、參考電平、空間與時間濾波以及其他檢測信號特征的處理方法和轉(zhuǎn)換算法,其作用是將大腦電生理輸入轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的信號。(1)腦-機(jī)接口的組成與特點(diǎn)腦-機(jī)接口的輸出可以是控制光標(biāo)的移動、字母或圖標(biāo)的選擇、輪椅的轉(zhuǎn)動等。每種腦-機(jī)接口都有不同的特點(diǎn),如開/關(guān)機(jī)制、響應(yīng)時間、用戶訓(xùn)練的類型與程度、合適的用戶群體、速度與精度(信息傳輸率),等等。腦-機(jī)接口的操作依靠兩種自適應(yīng)控制器的相互作用一是使用者的大腦,它產(chǎn)生一定的行為思維供腦-機(jī)接口系統(tǒng)測量。二是腦-機(jī)接口系統(tǒng)本身,它將大腦的行為思維轉(zhuǎn)換為特定的控制命令。(2)腦-機(jī)接口的應(yīng)用腦-機(jī)接口的研究主要服務(wù)于運(yùn)動功能嚴(yán)重失常的患者,隨著腦-機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步,腦-機(jī)接口可能應(yīng)用于運(yùn)動功能部分失常的患者甚至是正常人。例如,腦-機(jī)接口可用于監(jiān)視遠(yuǎn)距離行駛的駕駛員或飛行員的注意力,幫助飛行員在高加速度下控制飛機(jī),給宇航員提供一種在超重或失重狀態(tài)下控制宇宙飛船的靈活手段,可用于控制在危險環(huán)境操作的機(jī)器人,也可作為游戲控制的附加手段等針對運(yùn)動功能失常的病人。(3)腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀腦-機(jī)接口系統(tǒng)分類(大腦信號記錄位置不同)單元記錄腦-機(jī)接口局部場電位記錄腦-機(jī)接口頭皮EEG記錄腦-機(jī)接口(3)腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀單元記錄腦-機(jī)接口植入大腦中。主要用于動物實(shí)驗(yàn),也有采用神經(jīng)電極植入人腦皮層。單元記錄腦-機(jī)接口可以長時間使用(對人腦可達(dá)三年),記錄穩(wěn)定、高信息量、高信噪比的神經(jīng)元活動情況。局部場電位記錄腦-機(jī)接口是在皮層表面硬膜內(nèi)外進(jìn)行記錄,其信息量、信噪比介于單元記錄和基于EEG的腦-機(jī)接口之間。頭皮EEG記錄腦-機(jī)接口可以反映大腦的不同狀態(tài),能夠?qū)崟r地被提取與分類,且記錄簡單、無創(chuàng),因此基于頭皮EEG信號的腦-機(jī)接口是研究得最多的。(3)腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀①利用自發(fā)EEG節(jié)律的頻域特性例如用慢皮層電位,實(shí)現(xiàn)二元拼字腦-機(jī)接口(即每次只能進(jìn)行二選一操作),選中希望的字母,分類精度可達(dá)70%-80%,拼字速率為每2min一個字母。用EEG的μ節(jié)律來實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動、字母拼寫、神經(jīng)假肢控制等功能。②用特定頻率刺激產(chǎn)生視覺誘發(fā)電位通過17.58Hz和23.42Hz的調(diào)制信號產(chǎn)生了穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位SSVEP。其特點(diǎn)是僅需很少記錄電極,且訓(xùn)練周期很短,只需適應(yīng)視覺刺激信號。頭皮EEG記錄腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀(3)腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀③在時域上利用事件相關(guān)電位如利用事件相關(guān)電位的P300電位。P300在運(yùn)動失常病人甚至是腦干損傷病人中相對穩(wěn)定。目前已將P300成功用于腦-機(jī)接口設(shè)計中。④心理作業(yè)導(dǎo)致顱頂骨中央EEG信號功率譜的變化通過表面拉普拉斯算子可以增強(qiáng)EEG功率譜在頭皮上的電位分布,且通過線性與非線性的分類器可以識別。研究以想象上肢運(yùn)動為心理作業(yè)的腦-機(jī)接口系統(tǒng),采用C3和C4兩頭皮電極和線性分類器可實(shí)現(xiàn)較高的正確識別率。系統(tǒng)對五種心理作業(yè)(放松、造句、心算乘法、計數(shù)、旋轉(zhuǎn)三維物體)所產(chǎn)生自發(fā)EEG信號能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的分類。頭皮EEG記錄腦-機(jī)接口的研究現(xiàn)狀腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)概述人體骨骼肌共400多塊。每塊肌肉都由許多肌細(xì)胞(肌纖維)借結(jié)締組織連接在一起,兩端又和肌鍵相連,加上供應(yīng)它們的神經(jīng)、血管和淋巴管共同形成的。每塊肌肉附著在骨骼和結(jié)締組織上,在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下,成為一個具有執(zhí)行一定運(yùn)動機(jī)能的機(jī)械性效應(yīng)系統(tǒng)。興奮和收縮是骨骼肌的最基本機(jī)能,也是肌電圖形成的基礎(chǔ)。肌電圖記錄的是不同機(jī)能狀態(tài)下骨骼肌的電位變化,這種電位變化與肌肉的結(jié)構(gòu)、收縮力學(xué)、收縮時的化學(xué)變化有關(guān)。概述廣義的肌電圖應(yīng)包括病人主動隨意收縮時的肌電圖,簡稱肌電圖和誘發(fā)肌電圖,也稱神經(jīng)電圖。肌電圖記錄肌肉收縮時的力學(xué)效應(yīng)神經(jīng)電圖則記錄外周神經(jīng)的動作電位的效應(yīng)腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)肌電圖(EMG)的概念肌肉的生物電活動形成的電位隨時間的變化曲線稱為肌電圖。肌電圖的特點(diǎn)肌電活動是一種快速的電變化,它的振幅為20μV到幾毫伏,頻率為2Hz~10kHz。肌電圖的概念臨床肌電圖檢查運(yùn)動單位電位不同程度肌肉收縮時的肌電圖臨床肌電圖檢查臨床肌電圖檢查分為骨骼肌松弛狀態(tài),骨骼肌做輕度及用力收縮狀態(tài)與被動牽張時的肌電圖三種狀態(tài)。臨床肌電圖檢查項(xiàng)目骨骼肌松弛時針電極插入引起插入電位及誘發(fā)出現(xiàn)的肌電檢查。肌肉松弛時電靜息。輕度收縮時單個運(yùn)動單位的波形、電壓、時程的分析。最大收縮時運(yùn)動單位電位密度及波形時程等特征的觀察。被動牽張時運(yùn)動單位電位出現(xiàn)的數(shù)量及波形特征。運(yùn)動單位電位所謂運(yùn)動單位就是用來表示肌肉基本功能的單位,由一個運(yùn)動神經(jīng)元和由它所支配的肌纖維構(gòu)成。一個運(yùn)動單位所包括的肌纖維數(shù)目有多有少,一般有10~1000根。運(yùn)動單位為肌肉活動的最小單位,實(shí)際看到的肌肉收縮,是眾多個運(yùn)動單位共同參加活動的結(jié)果。正常肌肉在輕微主動收縮時,出現(xiàn)的動作電位稱為運(yùn)動單位電位。運(yùn)動單位電位表示一個脊髓前角細(xì)胞所支配的肌纖維的綜合電位或亞運(yùn)動單位的綜合電位。運(yùn)動單位電位——(1)波形位相圖分段正常肌肉的動作電位,用單極同心針電極引導(dǎo),由離開基線偏轉(zhuǎn)的位相來決定,根據(jù)偏轉(zhuǎn)次數(shù)的多少分為單相、雙相、三相、四相或多相電位。一般以單相、雙相或三相為多見。達(dá)四相者在10%以內(nèi),五相者極少。五相以上者定為病理或異常多相電位。波形位相圖運(yùn)動單位電位——(2)時程(時限)時程指運(yùn)動單位電位從離開基線的偏轉(zhuǎn)起,到返回基線所經(jīng)歷的時間。運(yùn)動單位電位時程變動范圍較大,一般在3~15ms范圍。運(yùn)動單位時限的測量運(yùn)動單位電位——(3)電壓正常肌肉運(yùn)動單位電壓是亞運(yùn)動肌纖維興奮時動作電位的綜合電位,是正、負(fù)波最高偏轉(zhuǎn)點(diǎn)的差。一般為100~2000μV,最高電壓不超過5mV。運(yùn)動單位電壓的測量運(yùn)動單位電位正常肌肉的動作電位波形、電壓及時程變異較大,原因是不同肌肉或同一肌肉的不同點(diǎn)運(yùn)動單位的神經(jīng)支配比例不同,年齡差異,記錄電極的位置等都是影響變異的因素。若確定上述參數(shù)的平均值,應(yīng)在一塊肌肉幾個點(diǎn)做多次檢查,因此細(xì)心檢查是非常必要的。由醫(yī)生人工尋找運(yùn)動單位電壓非常費(fèi)力費(fèi)時→自動尋找運(yùn)動單位電壓功能的肌電圖機(jī)不同程度肌肉收縮時的肌電圖正常骨骼肌做輕度、中度或最大用力收縮時,參加活動的運(yùn)動單位增多,可出現(xiàn)如下肌電波形:(a)單純相(b)混合相(c)干擾相正常肌肉不同程度收縮時肌電波形圖(a)單純相(b)混合相(c)干擾相不同程度肌肉收縮時的肌電圖(續(xù))(1)單純相輕度用力收縮時,只出現(xiàn)幾個運(yùn)動單位電位相互分離的波形。(2)混合相骨骼肌做中度用力收縮時(不完全強(qiáng)直收縮),多個運(yùn)動單位持續(xù)活動,肌纖維放電頻率增加,有些較密集難以分出單個運(yùn)動單位電位,有些部位較稀疏可以分出單個運(yùn)動單位電位,稱混合相。不同程度肌肉收縮時的肌電圖(續(xù))(3)干擾相骨骼肌做最大收縮時(完全強(qiáng)直收縮),被動員參加活動的運(yùn)動單位增加,幾乎全部運(yùn)動單位皆參加了活動,可產(chǎn)生節(jié)律的、反復(fù)發(fā)生的動作電位,呈密集相互干擾的波形,稱干擾相。振幅一般在2~5mV,此時波形及時程難以分析。現(xiàn)代肌電圖機(jī),對干擾相給出每秒翻轉(zhuǎn)次數(shù)和平均電壓兩個參數(shù)。不同程度肌肉收縮時的肌電圖(續(xù))肌肉收縮力與積分肌電圖的關(guān)系不同程度肌肉收縮時的肌電圖(續(xù))不同程度肌肉收縮時的肌電圖通常采用積分肌電圖。積分肌電圖的測量包括EMG放大器、雙向整流電路、積分器和肌肉張力測量裝置等。適當(dāng)調(diào)節(jié)積分器的積分時間常數(shù),可以得到與肌肉收縮張力相關(guān)的變化。腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)肌電的引導(dǎo)與記錄用同軸針形電極和表面電極得到的肌電圖肌電的引導(dǎo)與記錄(續(xù))針狀電極有單極同心針電極、雙極同心針電極、多導(dǎo)同心針電極、單極針電極等,由鉑金絲作為材料,經(jīng)消毒后插入被檢肌肉內(nèi)引導(dǎo)肌電信號。表面電極一般是用銀或不銹鋼板制成厚0.2~0.5mm,直徑8mm,放在皮膚表面的引導(dǎo)電極,用來引導(dǎo)電極下局部肌肉的電活動,是一種無創(chuàng)檢測方法,適用于引導(dǎo)誘發(fā)電位或運(yùn)動時肌電的變化,它引導(dǎo)出的肌電為多條肌纖維的綜合電位,因此不能作運(yùn)動單元電位的分析。運(yùn)動單位電位的分析必須依賴于針狀電極。肌電圖測量系統(tǒng)的方框圖肌電圖測量系統(tǒng)將引導(dǎo)電極置于相關(guān)檢查部位,引導(dǎo)出的肌電信號經(jīng)前置放大器放大后,可在示波器(顯示器)上觀察肌電圖。由于肌電圖的持續(xù)時間為2~10ms、頻率范圍為20-5000Hz、振幅為20μV~50mV(隨肌肉的解剖部位、電極種類、大小及位置不同而異),因此示波器必須預(yù)先設(shè)置好靈敏度、掃描速度等。揚(yáng)聲器、錄音機(jī)、連續(xù)或單片照相機(jī)用來描記和拷貝熒光屏上的肌電圖。微機(jī)用來對觀察結(jié)果進(jìn)行多種處理:肌電波頻率分析;波的間隔疊加;神經(jīng)傳導(dǎo)速度;肌電圖存檔、回放與重顯等。腦電圖與肌電圖儀器設(shè)計原理腦電信號的產(chǎn)生機(jī)理腦電信號的一般性質(zhì)及分類腦電圖機(jī)腦的誘發(fā)電位測量臨床腦電儀器的應(yīng)用情況腦電圖測量的最新技術(shù)概述肌電圖概念肌電的引導(dǎo)與記錄肌電圖機(jī)誘發(fā)肌電圖(神經(jīng)電圖)典型傳統(tǒng)肌電圖儀的結(jié)構(gòu)肌電圖機(jī)與腦電圖機(jī)十分相似,其主要組成部分是電極、前置放大器盒、主放大器、輔助設(shè)備以及計算機(jī)等。肌電圖機(jī)在實(shí)時情況下,電極引導(dǎo)隨意肌肉自發(fā)收縮所致的自發(fā)肌電圖,經(jīng)肌電信號放大器(通常采用同相輸入的三運(yùn)算放大器)放大后送至Y軸放大,推動示波器Y軸偏轉(zhuǎn),并同時送至監(jiān)聽器,通過揚(yáng)聲器監(jiān)聽。典型肌電圖儀可在實(shí)時情況和在刺激誘發(fā)情況下獲取和測量自發(fā)肌電及誘發(fā)肌電信號??刹捎冕槧铍姌O和表面電極。針狀電極用于記錄各運(yùn)動單元的動作電位,以進(jìn)行神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病的臨床診斷。表面電極用于了解整個肌肉活動的運(yùn)動學(xué)研究。掃描發(fā)生器在同步觸發(fā)信號控制下產(chǎn)生鋸齒波掃描信號和示波器的增輝信號,鋸齒波經(jīng)X軸放大,推動示波器X軸水平偏轉(zhuǎn),由于同時增輝信號經(jīng)Z軸放大后調(diào)制示波器輝度,因而在示波管上出現(xiàn)X軸掃描線。典型肌電圖儀(續(xù))當(dāng)用在刺激誘發(fā)狀態(tài)時,可記錄在電刺激情況下的肌電圖,刺激發(fā)生器產(chǎn)生的刺激脈沖送至人體,同時發(fā)出同步脈沖信號去同步掃描,并使計算機(jī)系統(tǒng)工作。計算機(jī)系統(tǒng)除將模擬信號經(jīng)A/D變換、CPU運(yùn)算、D/A變換后送至示波管顯示外,還能將數(shù)字信息通過轉(zhuǎn)換接口送至打印機(jī),打印出測量的內(nèi)容和結(jié)果。肌電圖機(jī)還可根據(jù)需要在記憶、疊加、延遲等狀態(tài)下工作。除CPU具有單獨(dú)的時鐘外,該機(jī)其他部分均采用晶體振蕩器作為時鐘信號發(fā)生器,故整個系統(tǒng)的工作可靠、測量精確。典型肌電圖儀的主要技術(shù)指標(biāo)前置放大器噪聲:應(yīng)小于5μV。靈敏度:5、10、20、50、100、200、500、1000,2000、5000、10000μV/cm,誤差為±10%。掃描速度:1、2、5、10、20、50,100、200ms/cm,誤差為±5%。刺激頻率:0.2、0.5、1、2、5、10、20、50Hz,誤差為±5%。刺激脈寬(持續(xù)時間):0.1、0.2、0.5、1ms,誤差為±10%。刺激幅度:×1時,0~50V;×10時,0~500V;誤差為±10%。典型肌電圖儀的主要技術(shù)指標(biāo)(續(xù))計算機(jī)功能:記憶、疊加、信號延遲、傳導(dǎo)速度計算。疊加次數(shù):1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024。記錄速度①實(shí)時記錄時:25、50、100、250、500mm/s,誤差為±5%。②記憶記錄時:20mm/s單幅。記錄內(nèi)容①實(shí)時記錄:兩線信號、時標(biāo)、靈敏度、走速、病號。②單幅記錄:兩線信號、時標(biāo)、病號、靈敏度、掃描速度、刺激點(diǎn)距離、潛伏期、傳導(dǎo)速度等。高速肌電/誘發(fā)電測量系統(tǒng)基本系統(tǒng)包括病人管理系統(tǒng)、解剖圖譜、在屏幕上與正常值直接比較,以及報告等功能。硬件包括導(dǎo)聯(lián)數(shù)、CPU、硬盤、監(jiān)視器和打印機(jī)的選擇。軟件組件選擇包括神經(jīng)傳導(dǎo)功能選擇、肌電圖測量項(xiàng)目(自發(fā)電位活動、多個或單個運(yùn)動單元分析、募集狀態(tài)分析等)、神經(jīng)肌肉傳遞研究、H反射、Blink反射、心率、運(yùn)動單元計量分析、單纖維肌電圖(纖維密度測量,litter值分析、刺激Jitter值分析)、體感誘發(fā)電位、聽覺誘發(fā)電位(BAEP)、視覺誘發(fā)電位(VEP,ERG/EOG)、識別誘發(fā)電位(P300)、術(shù)中監(jiān)護(hù)、體溫測定、辦公系統(tǒng)、正常值數(shù)據(jù)庫及P300等專用軟件。肌電圖機(jī)肌電誘發(fā)電位測量儀組成電路框圖肌電圖機(jī)(續(xù))在肌電信號中,不僅有運(yùn)動單位的動作電位,而且還有神經(jīng)電位。動作電位的幅度在幾十微伏到幾毫伏范圍,約達(dá)到60dB的變化。神經(jīng)電位信號在1μV以下。肌電放大器增益設(shè)計應(yīng)與信號幅度的變化特點(diǎn)相適應(yīng),通??傇鲆婵蛇_(dá)106以上。肌電信號的頻譜很寬,在2Hz~10kHz范圍。用針電極提取肌纖維的動作電位時,電極與肌纖維的接觸面積僅有0.07mm2,接觸阻抗有時高達(dá)1MΩ以上,因此要求肌電放大器的輸入阻抗必須大于100MΩ。肌電放大器對低噪聲、低漂移、高共模抑制比等指標(biāo)的要求,相對比心電放大器、肌電放大器更嚴(yán)格。肌電圖機(jī)(續(xù))誘發(fā)電位與肌電都屬于生物電信號中的快變化信號。具有良好的高頻特性的肌電放大器,通常也適用于誘發(fā)電位的放大、測量。為了適應(yīng)被測信號的波幅相差懸殊的特點(diǎn),肌電放大器增益應(yīng)可在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。前置級增益為200,主放大器增益分×1、×10兩擋。衰減器衰減系數(shù)為1、0.5、0.25、0.1、0.05、0.025、0.01、0.001,分為八擋。高頻濾波器增益為兩擋。均由靈敏度寄存器的數(shù)據(jù)輸出,經(jīng)過光電耦合對模擬開關(guān)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。肌電圖機(jī)(續(xù))根據(jù)需要,例如,進(jìn)行單纖維肌電圖和腦皮層誘發(fā)電位測量時,必須將頻率范圍向上或者向下擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)頻率的上、下值調(diào)節(jié),這是對肌電放大器的功能的基本要求。由濾波寄存器的數(shù)據(jù)輸出經(jīng)光電耦合實(shí)現(xiàn)控制。下限頻率:500Hz,200Hz、100Hz,50Hz、20Hz,10Hz、5Hz,2Hz,0.5Hz。上限頻率:20kHz,10kHz,5kHz,2kHz,1kHz,0.5kHz、0.2kHz,0.1kHz。肌電放大器與其后面的信號處理電路通過光電耦合實(shí)現(xiàn)電氣隔離。肌電圖機(jī)(續(xù))模擬信號與數(shù)字信號無共地聯(lián)系,所以模擬信號放大的過程中能免受數(shù)字電路中干擾的危害,通常放大器安置在主機(jī)之外的單獨(dú)屏蔽盒內(nèi)。信號通道中各無源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的功能電路——衰減、低頻濾波、高頻濾波之間,都注意到用緩沖級進(jìn)行阻抗變換。由地址總線通過地址譯碼為各寄存器提供時鐘信號。數(shù)據(jù)總線經(jīng)過緩沖級送入各寄存器,由程序設(shè)計分別實(shí)現(xiàn)放大器放大倍數(shù)、通帶選擇等參數(shù)的調(diào)節(jié)。肌電放大器中前置級的低噪聲和高共模抑制比設(shè)計是實(shí)現(xiàn)放大器所要求的高性能指標(biāo)的關(guān)鍵,電路結(jié)構(gòu)是人們已經(jīng)熟知的同相并聯(lián)差動放大形式。肌電圖機(jī)(續(xù))肌電、誘發(fā)電位放大器前置主放電路肌電圖機(jī)——前置級的低噪聲設(shè)計①低噪聲運(yùn)算放大前置極根據(jù)信號源為高內(nèi)阻源的特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)噪聲匹配,選擇場效應(yīng)輸入的低噪聲運(yùn)算放大器件構(gòu)成前置級。選用OP27或OP77低噪聲運(yùn)算放大器件,可以滿足低噪聲性能的要求,其UN、IN參數(shù)為肌電圖機(jī)——前置級的低噪聲設(shè)計(續(xù))OP27的1/f噪聲的轉(zhuǎn)折頻率為1.8Hz。因此作為肌電放大器的2Hz~20kHz帶寬要求,1/f噪聲影響已不是主要的危害。OP27的1/f噪聲特性肌電圖機(jī)——前置級的低噪聲設(shè)計(續(xù))②合理的增益分配遵循低噪聲設(shè)計的原則,前置級的電壓增益越大,后邊各級電路所造成的噪聲的影響越小,因此,前置級增益應(yīng)盡可能高。前置級電壓增益受到放大器動態(tài)工作范圍的限制,而且在去除電極的極化電壓之前的前置級,動態(tài)范圍受極化電壓的限制。電極的極化電壓通常為幾十毫伏。③低噪聲運(yùn)算放大器件的輸入端(對A1、A2而言)不允許附加任何額外電阻,信號端的電阻將引入噪聲電壓,地端的電阻產(chǎn)生附加的噪聲電流。對于輸入級的信號輸入端的敏感回路,應(yīng)格外予以注意。肌電圖機(jī)——前置級的低噪聲設(shè)計(續(xù))④前置級中的輸入級各反饋電阻RF,RW與低噪聲運(yùn)算放大器A1、A2輸入的輸入端相連接

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