腦電波儀 (Electroencephalography,EEG)

簡介

  腦電波簡介
 

腦神經細胞的活動,可用神經電生理的方法偵測而得到腦波。早在1875年,英國利物浦的生理學教授李察卡通首度從兔子的大腦皮質表面紀錄到記錄到一種電波,此電波與呼吸或心跳無關,是一種腦部的生理變化,隨著動物受麻醉或缺氧而破壞,且動物在死亡後消失。後來他又發現刺激動物的身體能使腦波發生變化,他利用這種變化來研究身體之部位與大腦皮質區的關係,並探討大腦皮質區的功能,成為後來神經診斷學中誘發電位(evoked potential)發展的基礎。

一直到1929年,從李查克通發現腦波以後經過了50多年,一位德國精神柯醫師漢斯伯格(Hans Berger),經過多年潛心研究,在人類完整的頭蓋骨上紀錄到相同的電氣活動,這是首次發表人類的腦波記錄,並命名為腦電波圖(electroencephalogram)簡稱EEG,此後腦波即開始被應用在醫學的領域。從字義上來看electro-electrical-電的;encephalo-brain-大腦的;gram(ma)-picture-圖像。所指的就是記錄大腦活動時的電波變化。EEG在臨床上的應用其實已經非常廣泛,它據有經濟、安全、方便的特性。可以用於篩檢病患,以及昏迷、中風、癲癇、腦炎、和其他腦疾病病人的追蹤檢查。

目前量測腦波記錄可分為兩種,一是腦電波(electroencephalogram, EEG),測量大腦皮質的電流,大腦皮質的電流是發生在細胞外的電流,是由細胞群與其他細胞群之間的電位差形成的。另一是腦磁波(magnetoencephalographic, MEG),此乃根據法拉第定律─電生磁,當腦神經活化時所產生的電訊號會引發磁場變化,所偵測到訊號的大小即為腦磁波。

本實驗室是利用32個紀錄電極(channels)的腦電波儀(QuickAmp amplifier, Brain Products GmbH, Munich,Germany)進行紀錄腦部微量電流的工作,並經由數位訊號處理及影像處理技術,進行腦波誘發電位(Event-Related Potential, ERP)、腦波律動(Brain Rhythm)及臨床應用研究(Clinical Studies)等。

   
  何謂腦電波誘發電位(Event-Related potential, ERP)
 

ERP的全名為Event-Related Potential,即為「事件關聯的電位波」!這是指在將EEG訊號以刺激(stimulus)、自發動作(event)或反應(response)為基點,取固定的時間間距,例如平均事件前200毫秒和事件後300毫秒之間的所有訊號。如下圖時間軸所示:

 
 

其公式如下:

 

在訊號處理的過程中,亦配合PCA(principle component analysis)和ICA(independent component analysis)進行訊號處理,藉由多重的方法確認發出訊號的位置;波的頻率和出現時間;以及其傳導的方向等等。以此驗證腦部執行行為或認知活動時所產生的各種不同型態的波。進一步對於大腦的了解和臨床的診斷有更進一步的貢獻。

   
  何謂事件相關非同步/同步腦波律動(Event-Related Desynchronization/Synchronization, ERD/ERS)
 

人腦中存在有許多的功能區域性腦波律動(Brain rhythm),比較為人所知的有(1)Mu rhythm:約存在於10~20Hz的頻帶之間,主要區域為感覺運動區(sensorymotor area),(2)Tau rhythm:約存在於8~10 Hz之間,存在區域為上顳葉皮質區(upper temporal lobe),(3)sigma rhythm:月存在於7~9 Hz之間,存在區域為sensory area,(4)Alpha rhythm:約10Hz,存在區域為枕葉視覺區。這些Brain rhythm具有特定的功能以及特定存在的區域,所以可以用來作特定區域的功能性分析。然而這些腦波律動的訊號屬於非相位鎖定(nonphase-locked)的訊號,所以不能用一般event-related potential(ERP)直接平均的方法來得到結果,而必須採用nonphase-locked的分析技巧來計算由外界刺激所產生的反應。利用腦電波和腦磁波來量測event-related rhythmic nonphase-locked是目前國外各研究單位十分重視的重點之一,G.Pfurtscheller利用腦電波量測finger tapping task的event-related nonphase-locked 訊號,並使用power method inter-trial variance的方法,計算在event發生前後所產生的能量變化,結果發現在運動前,10Hz附近的mu rhythm會有能量遞減的現象,稱為event-related desynchronization (ERD),此外,再運動結束後約1秒中會再20Hz左右有一個能量的反彈(rebound),稱為event-related synchronization (ERS)(如插圖)。R. Hari利用temporal spectral evoluation (TSE)的方法在腦磁波上計算ERD和ERS,並得到與在腦電波上類似的結果。Clochon et al.利用Hilbert transform對所量到的腦電波訊號進行計算,增進了計算的結果。R. Hari et al.利用equivalent dipole fit (ECD) 的方法對於腦中產生Brain rhythm的位置進行dipole localization的估算,並對所量測到的訊號作dipole modeling來解釋所量測到的現象。

此外,ERD和ERS也可以用於病兆的診斷與分析,G. Pfurtscheller和G. Magnani等人利用腦電波量測腦局部貧血(ischemia)、癲顯(epileptic),以及帕金森(Parkinson)等病人的motor task 的ERD和ERS。發現在重度腦局部貧血病人的患側,會偵測不到ERD﹔而在輕度腦貧血患者的會測,ERD會比較小。對於帕金森的病人,因為ERD與運動的準備(motor preparing)和籌畫(motor planning)有關,所以在帕金森的病人可以看到ERD的起始點(starting point)比正常人慢,而且ERD和ERS的程度都比正常人小,經過給予L-DOPA治療後,則恢復正常。對於epileptic的病人,ERD的起始時間比正常人的慢,而ERD和ERS的恢復時間也比正常人慢。由此可知,rhythmic ERD和ERS的分析,也可以用於臨床功能性障礙病症的診斷上。

 
10Hz 與20Hz Mu rhythm在運動前後的腦波變化
   

 

儀器圖像

 
安全舒適的腦電波量測環境
 
腦電波量測操作環境