【基础帖 】 关于ERP和EEG以及脑成像的基础知识
第一、EEG
（一）脑电图（EEG）检查：是在头部按一定部位放置8-16个电极，经脑电图机将脑细胞固有的生物电活动放大并连续描记在纸上的图形。正常情况下，脑电图有一定的规律性，当脑部尤其是皮层有病变时，规律性受到破坏，波形即发生变化，对其波形进行分析，可辅助临床对及脑部疾病进行诊断。
脑波按其频率分为：δ波（1-3c/s）θ波（4-7c/s）、α波（8-13c/s）、β波（14-25c/s）γ波（25c/s以上），δ和θ波称为慢波，β和γ波称为快波。依年龄不同其基本波的频率也不同，如3岁以下小儿以δ波为主，3-6岁以θ波为主，随年龄增长，α波逐渐增多，到成年人时以α波为主，但年龄之间无明确的严格界限，如有的儿童4、5岁枕部α波已很明显。正常成年人在清醒、安静、闭眼时，脑波的基本节律是枕部α波为主，其他部位则是以α波间有少量慢波为主。判断脑波是否正常，主要是根据其年龄，对脑波的频率、波幅、两侧的对称性以及慢波的数量、部位、出现方式及有无病理波等进行分析。许多脑部病变可引起脑波的异常。如颅内占位性病变（尤其是皮层部位者）可有限局性慢波；散发性脑炎，绝大部分脑电图呈现弥漫性高波幅慢波；此外如脑血管病、炎症、外伤、代谢性脑病等都有各种不同程度的异常，但脑深部和线部位的病变阳性率很低。须加指出的是，脑电图表现没有特异性，必须结合临床进行综合判断，然而对于癫痫则有决定性的诊断价值，在阗痫发作间歇期，脑电图可有阵发性高幅慢波、棘波、尖波、棘一慢波综合等所谓“痛性放电”表现。为了提高脑电图的阳性率，可依据不同的病变部位采用不同的电极放置方法。如鼻咽电极、鼓膜电极和蝶骨电极，在开颅时也可将电极置于皮层（皮层电极）或埋入脑深部结构（深部电极）；此外，还可使用各种诱发试验，如睁闭眼、过度换气、闪光刺激、睡眠诱发、剥夺睡眠诱发以及静脉注射美解眠等。但蝶骨电极和美解眠诱发试验等方法，可给病人带来痛苦和损害，须在有经验者指导下进行。随着科技的日益发展，近年来又有了遥控脑电图和24小时监测脑电图。
（二）脑电地形图（BEAM）
是在EEG的基础上，将脑电信号输入电脑内进行再处理，通过模数转换和付立叶转换，将脑电信号转换为数字信号，处理成为脑电功率谱，按照不同频带进行分类，依功率的多少分级，最终使脑电信号转换成一种能够定量的二维脑波图像，此种图像能客观地反映各部电位变化的空间分布状态，其定量标志可以用数字或颜色表示，再用打印机打印在颅脑模式图上，或贮存在软盘上。它的优越性在于能发现EEG中较难判别的细微异常，提高了阳性率，且病变部位图像直观醒目，定位比较准确，从而客观对大脑机能进行评价。主要应用于缺血性脑血管病的早期诊断及疗效予后的评价，小儿脑发育与脑波变化的研究，视觉功能的研究，大浮肿瘤的定位以及精神药物的研究等。
（三）脑磁图
电流在导体内流动进，导体周围可以产生磁场。同理，脑细胞的电活动也有极微弱的磁场，可用高灵敏度的磁场传感器予以检测，并记录其随时间变化的关系曲线，是即脑磁图，其图形与EEG图形相似。与EEG相比，优点是：可发现有临床意义而又不能被EEG记录到的波形，或检测到皮质局限性的异常电磁活动；此外，磁检器不与头皮接触，也减少了干扰造成的伪差。若与EEG同时描记，还可对不同物理方位的皮质群进行分析。但由于屏蔽、电磁装置以及其他设备复杂、昂贵，目前国内尚无此项设备。
（四）诱发电位
给人体感官、感觉神经或运动皮质、运动神经以刺激，兴奋沿相应的神经通路向中枢或外周传导，在传导过程中，产生的不断组合传递的电位变化，即为诱发电位，对其加以分析，即或反映出不同部位的神经功能状态。由于诱发电位非常微小，须借助电脑对重复刺激的信号进行叠加处理，将其放大，并从淹没于肌电、脑电的背景中提取出来，才能加以描记。主要是对波形、主波的潜伏期、波峰间期和波幅等进行分析，为临床诊断提供参考，目前临床常用的有视觉、脑干听觉、体感、运动和事件相关诱发电位，以及视网膜图和耳蜗电图等，可分别反映视网膜、视觉通路、内耳、听神经、脑干、外周神经、脊髓后索、感觉皮质以及上下运动神经元的各种病变，事件相关诱发电位则用以判断患者的注意力和反应能力。诱发电位具有高度敏感性，对感觉障碍可进行客观评诂，对病变能进行定量判断。对心理精神领域可进行一定的检测，故当前广泛应用于对神经系统病变的早期诊断，病情随访，疗效判断，予后估计，神经系统发育情况的评估以及协助判断昏迷性质和脑死亡等。但图形无特异性，必须结合临床资料进行判断；不在有关神经传导径路中的病变，不能发现异常。近年，诱发电位的频谱分析和诱发电位地形图也在临床上逐渐开始应用，进一步提高了其临床应用价值。
（五）肌电图（EMG）
是用肌电图仪记录神经和肌肉的生物电活动，对其波形进行测量分析，可以了解神经、肌肉的功能状态，协助对下运动神经元或肌肉疾病的诊断。目前常用的方法有三种：①针极肌电图：亦称普通肌电图，是将特制的针电极刺入肌腹，或用表面电极置于肌肉表面皮肤，在示波器上或记录纸上观察肌肉在静止、轻收缩、重收缩三种状态下的电位变化，以帮助判断疾病究系神经源性或肌源性损害。②神经传导速度测定：也即运动神经传导速度（MCV）和感觉神经传导速度（SCV）测定。系在神经干的近端（MCV）或远端（SCV）给以脉冲刺激，在远端效应肌（MCV）或近端神经走行部位（SCV）接收波形，测理两点之间的潜伏期和距离，即可计算出运动神经或感觉神经传导速度，主要用于了解神经传导功能情况。③其他：如重复频率试验，F波、H反射、牵张反射等检查以及单纤维肌电图检查等，可进一步了解神经、肌肉、神经一肌接头以及脊髓反射弧的功能状态。
（六）脑阻抗血流图（REG）
是检查头部血管功能和供血情况的一种方法。其原理是通过放置在头部的电极给以微弱的高频电流，由于血液的电阻率最小，其电阻可随心动周期供血的变化而变化，这种节律性的阻抗变化，经血流图仪放大，可描记出波动性曲线，对其进行测量、计算、分析，可间接了解外周阻力、血管弹性和供血情况。本法简便易行，但因影响因素比较多，如情绪、气温、检查当时的血管功能状态等，故对其判断应加慎重。须结合临床症状，体征等进行判断。常用于脑动脉硬化、闭塞性脑血管病、偏头痛以及药物疗效观察等。
第二、ERP
（一）事件相关电位的基本概念
对大脑高级心理活动如认知过程作出客观评价，我们很难将意识或思维单纯归于大脑某一部位组织、细胞或神经递质的改变，因为仅采用具体、微观的自然科学手段如神经分子生物学、神经生化学难以解决具体的心理活动。二十世纪六十年代，Sutton提出了事件相关电位的概念，通过平均叠加技术从头颅表面记录大脑诱发电位来反映认知过程中大脑的神经电生理改变，因为事件相关电位与认知过程有密切关系，故被认为是“窥视”心理活动的“窗口”。神经电生理技术的发展，为研究大脑认知活动过程提供了新的方法和途径。
事件相关电位（ERP）是一种特殊的脑诱发电位，通过有意地赋予刺激仪特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。它反映了认知过程中大脑的神经点生理的变化，也被称为认知电位，也就是指当人们对某课题进行认知加工时，从头颅表面记录到的脑点位。经典的ERP主要成分包括P1、N1、P2、N2、P3，其中前三种称为外源性称为，而后两种称为内源性成分。这几种成分的主要特点是：首先不仅仅是大脑单纯生理活动的体现，而且反映了心理活动的某些方面；其次，它们的引出必须要有特殊的刺激安排，而且是两个以上的刺激或者是刺激的变化。其中P3是ERP中最受关注和研究的一种内源性成分，也是用于测谎的最主要指标。因此，在某种程度上，P3就成了ERP的代名词。
（二）诱发电位的特征
事件相关电位（ERP）是一种特殊的脑诱发电位，诱发电位(Evoked Potentials，EPs)，也称诱发反应(Evoked Response)，是指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时关系)和特定位相的生物电反应。诱发电位应具备如下特征：
1.必须在特定的部位才能检测出来；
2.都有其特定的波形和电位分布；
3.诱发电位的潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现。
（三）诱发电位的分类
诱发电位的分类方法有多种，依据刺激通道分为听觉诱发电位、视觉诱发电位、体感诱发电位等；根据潜伏期长短分为早潜伏期诱发电位、中潜伏期诱发电位、晚(长)潜伏期诱发电位和慢波。临床上实用起见，将诱发电位分为两大类：与感觉或运动功能有关的外源性刺激相关电位和与认知功能有关的内源性事件相关电位(Event-Related PotentialS，ERPs)。
内源性事件相关电位与外源性刺激相关电位有着明显的不同。ERPs是在注意的基础上，与识别、比较、判断、记忆、决断等心理活动有关，反映了认知过程的不同方面，是了解大脑认知功能活动的“窗口”。经典的ERPs成分包括P1、Nl、P2、N2、P3(P300)，其中P1、N1、P2为ERPs的外源性(生理性)成分，受刺激物理特性影响；N2、P3为ERPs的内源性(心理性)成分，不受刺激物理特性的影响，与被试的精神状态和注意力有关。现在ERPs的概念范围有扩大趋势，广义上讲，ERPs尚包括N4(N400)、失匹配阴性波(Mismatch NegatiVity，MMN)、伴随负反应(Contigent NegatiVe Variaeion，CNV)等。但长期以来有人通常以P3作为事件相关电位的代称，虽有失偏颇，但临床应用甚广。
（四）事件相关电位的测试方法
事件相关电位属于长潜伏期诱发电位，测试时一般要求被试者清醒，并在一定程度上参与其中。引出ERPs的刺激是按研究目的不同编制而成的不同刺激序列，包括两种及两种以上的刺激，其中一个刺激与标准刺激产生偏离，以启动被试的认知活动过程。如果由阳性的物理刺激启动，除了由认知活动产生的内源性成分，尚包括外源性刺激相关电位；如由阴性刺激来启动心理活动过程，则引出由认知加工而产生的内源性成分。
P3为ERPs中重要的内源性成分，现时对它的研究最为广泛。多为神经精神学科研究，如精神分裂症、脑血管疾病和痴呆症、智力低下等，通过研究P3的潜伏期、波幅、波形变化，反映认知障碍或智能障碍及其程度，同时尚应用于测谎研究。另有人将P3、CNV用作观察神经精神药物治疗效果的指标。事件相关电位的另一内源性成分N2为刺激以后200毫秒左右出现的负向波，反映大脑对刺激的初步加工，该波并非单一成分，而是一复合波，由N2a和N2b两部分组成，N2a不受注意的影响，反映对刺激物理特性的初步加工。
刺激模式：刺激模式的设置是研究ERPs的关键，要求根据研究目的不同设计不同的刺激模式，包括两种及以上不同概率的刺激序列，并以特定或随机方式出现。包括视觉刺激模式、听觉刺激模式、躯体感觉刺激模式。听觉刺激模式包括三类：1.随机作业(OB刺激序列)；2.双随机作业；3.选择注意。OB刺激序列(oddball paradigm)：通过耳机同步给高调、低调纯音，低概率音作为靶刺激，诱发ERPs。通常靶刺激概率为10—30％，非靶概率70一90％，刺激间隔多采用1．5—2秒，刺激持续时间通常为40—80毫秒，反应方式为或默数靶信号出现次数或按键反应。
（五）影响事件相关电位的因素
▲物理因素
刺激的概率：靶刺激概率越小，P3的波幅越高，反之，波幅减小。一般靶刺激与非靶刺激的比例为20：80；刺激的时间间隔：间隔越长，P3波幅越高；刺激的感觉通道：听、视、体感感觉通道皆可引出ERPs，但其潜伏期及波幅不尽相同。
▲心理因素
事件相关电位检测过程中一般要求被试者主动参与，因而被试者的觉醒状态、注意力是否集中皆可影响结果。另外，由于被试者只有识别靶刺激并作出反应才能诱发出ERPs成分，因此，作业难度对测试结果也有影响，难度加大时，波幅降低，潜伏期延长。
▲生理因素
年龄：不同年龄P3的波幅及潜伏期不同。潜伏期与年龄呈正相关，随年龄增加而延长，而波幅与年龄呈负相关。在儿童及青少年，波幅较高；分布：ERPs各成分有不同的头皮分布。
事件相关电位( ERP) 作为可以反映大脑高级思维活动的一种客观方法在研究认知功能中得到广泛的应用, 而作为其内源形成分的P300是ERP中最典型、最常用的成分和认知过程密切相关, 被视为“窥视”心理活动的一个窗口，并认为它是脑研究的一种新型手段。
事件相关电位具有高时间分辨率的特点,使其在揭示认知的时间过程方面极具优势,能锁时性的反映认知的动态过程.该方法已经成为研究脑认知活动的重要手段.P300是较早发现的内源性事件相关电位成分,主要与人在从事某一任务时的认知活动如:注意、辨别、及工作记忆有关。P300可能代表期待的感觉信息得到确认和知觉任务的结束，目前已被广泛用来研究认知功能。其潜伏期反映对刺激物评价或归类所需要的时间即反应速度，随作业难度的增加而延长，而波幅反映了心理负荷的量，即被试投入到任务重的脑力资源的多少。虽然P300对认知损害评价的临床应用较广，但近年来的研究证实P300的脑内源不止一个，而是与多种认知加工有关，所以其在认知损害特征的精确描述方面有一定的局限性。
第三、 脑成像
脑成像就是通过最新技术使得神经科学家可以“看到活体脑的内部”。这些脑成像方法可以在以下方面为神经科学家提供帮助：理解脑特定区域与其功能之间的关系。对受神经疾病影响的脑区进行定位。发明新方法治疗脑部疾病。
脑成像包括：
(一)计算机X线断层摄影(CT扫描)
CT扫描时，一束X射线穿过头部，感光胶片形成图像。这种方法可以产生脑部剖面成像。这种方法只显示脑结构，而非脑功能。
(二）正电子发射断层扫描术（PET）
扫描仪通过检测被注射入或被吸入的放射物可以产生脑图像。经常使用的放射性物质包括氧，氟利昂，碳和氮。这些物质进入血液后被输送到使用这些物质的脑区。于是，氧和葡萄糖就会积聚在新陈代谢较活跃的脑区。放射性物质衰变时会发射出一个中子和一个正电子。当正电子撞击电子时，两者都被破坏，放射出两道伽玛射线。伽玛射线检测器记录下发出伽玛射线的脑区。这种方法提供了脑的功能视图。
优点：提供了脑活动的图像。
缺点：1、价格昂贵；2、使用放射性物质
（三）磁共振成像（MRI）磁共振成像
使用无线电频率信号检测，信号产生于磁场中转移的无线电波。它提供了脑的解剖视图。优点：1、没有 X-射线或放射物质；2、提供详细的不同维度的脑图像；3、安全无痛，非侵入性；4、病人无需做特殊准备（除了去除所有金属物品），病人之前可以进食。缺点：1、价格昂贵。2、不适用于带有金属物品的病人，如起搏器。3、不适用于不配合的病人，因为病人必须安静地平躺。4、不适用于患有幽闭恐怖症的病人（害怕狭小地方），但现在已出现设计更加宽敞的新型磁共振系统。
（四）功能磁共振成像（fMRI）
功能磁共振成像对流向特定脑区的血液的变化进行检测。它同时提供脑的解剖和功能视图。
（五）血管造影术
在染料被注入血液中后，血管造影术使用一束X射线。这种方法可以提供脑血管图像。
还有就是 SPECT
单光子发射计算机断层成像术(Single-Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和正电子发射断层成像术(Positron Emission Tomography，PET)是核医学的两种CT技术，由于它们都是对从病人体内发射的γ射线成像，故统称发射型计算机断层成像术(Emission Computed Tomography，ECT)。
SPECT的基本本成像原理是：γ照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线(Ray)进来的γ光子，其测量值代表人体在该投影线上的放射性之和。在同一条直线上的灵敏点可探测人体一个断层上的放射性药物，它们的输出称作该断层的一维投影(Projection)。图中各条投影线都垂直于探测器并互相平行，故称之为平行束，探测器的法线与X轴的交角θ称为观测角(View)。γ照相机是二维探测器，安装了平行孔准直器后，可以同时获取多个断层的平行束投影，这就是平片。平片表现不出投影线上各点的前后关系。要想知道人体在纵深方向上的结构，就需要从不同角度进行观测。可以证明，知道了某个断层在所有观测角的一维投影，就能计算出该断层的图像。从投影求解断层图像的过程称作重建(Reconstruction)。这种断层成像术离不开计算机，所以称作计算机断层成像术(Computered Tomography，CT)。CT设备的主要功能是获取投影数据和重建断层图像。
ECT显像的主要临床应用
1、骨骼显像。
骨骼显像是早期诊断恶性肿瘤骨转移的首选方法。可进行疾病分期、骨痛评价、预后判断、疗效观察和探测病理骨折的危险部位。
2、心脏灌注断层显像
心肌缺血的诊断。可评价冠状动脉病变范围，对冠心病危险性进行分级；评价冠脉狭窄引起的心肌血流灌注量改变及侧枝循环的功能，评价心肌细胞活力；对心肌梗塞的预后评价和疗效观察；观察心脏搭桥术及介入性治疗后心肌缺血改善情况。
心肌梗死的诊断，心梗伴缺血的诊断，判断心肌细胞存活情况。
心肌病、室壁瘤的鉴别诊断。
3、甲状腺显像
异位甲状腺的诊断和定位。具有独特价值。
甲状腺结节功能的判断和良恶性鉴别，具有较高诊断价值。
高分化甲状腺癌转移灶的定位和诊断。
甲状腺大小和重量的估计。
4、局部脑血流断层显像
缺血性脑血管意外的诊断。具有较高诊断价值。
癫痫致痫灶的定位诊断。癫痫发作间期的阳性率高达60％（而XCT和MRI的阳性率约25％）。
判断脑肿瘤的血运，鉴别术后或放疗后复发和瘢痕。
痴呆分型。尤其对早老性痴呆（Alzheimer病）的诊断有较高价值。
5、肾动态显像及肾图检查。
了解肾动脉病变及双肾血供情况；对肾功能及分肾功能的判断；了解上尿路通畅情况及对尿路梗阻的诊断；监测移植肾血流灌注和功能情况；以及了解糖尿病对肾功能的影响。其它显像的主要临床应用
甲状旁腺显像：对甲状旁腺腺瘤的诊断和定位。
肾上腺髓质显像：对嗜铬细胞瘤及其转移灶的诊断及定位，及恶性嗜铬细胞瘤131I－MIBG治疗后随访。
肺灌注显像与肺通气显像：对肺动脉血栓栓塞症的诊断与疗效判断。
肝脏胶体显像、肝血流与肝血池显像：对肝海绵状血管瘤的诊断。
肝胆动态显像：用于鉴别梗阻性黄疸和肝细胞性黄疸；鉴别先天性胆道闭锁和婴肝综合征及疗效观察。
肠道出血显像：最适用于探测胃以下、乙状结肠以上的活动性下消化道出血。
异位胃粘膜显像：对美克尔憩室的诊断及定位，对肠梗阻或肠套叠（怀疑与美克尔憩室或小肠重复畸形有关）的鉴别诊断。
长按图片，识别二维码，关注“天津大学神经工程与康复实验室”！