生物医学工程理论与实践/生物电现象（应用）

心电图 - 用于心脏

描绘心电图中导联放置的插图

心电图 (EKG 或 ECG ) 是一种快速、简单、无痛的记录方法，用于检查心脏电活动是否存在问题。心电图用于测量心脏的电传导系统。 它接收由心肌极化和去极化产生的电脉冲，并将其转换为波形。然后利用波形测量心率和心律的规律性，包括心室的大小和位置、心脏是否存在任何损伤以及控制心脏的药物或装置（如起搏器）的影响。

导联

心电图也被称为 EKG 或 ECG。有时，该测试被称为 12 导联 EKG 或 12 导联 ECG。这是因为心脏的电活动同时从身体 12 个不同位置的导联进行监测。

通常，心电图机由带有凝胶贴片的电极线、将信号转换为波形并调整电伪迹的计算机、实时显示心脏节律的屏幕（许多屏幕都包含 6 秒延迟）、打印波形硬拷贝的打印机组成。数据通过总共 10 个电极从患者身上收集。

肢体导联（双极性）

导联 I、II、III 共同构成等边三角形 (0, 60, 120 度) 的矢量。这被称为 Einthoven 三角形。Einthoven 发现 导联 I + 导联 III = 导联 II。肢体导联测量心脏去极化在额状 (冠状) 面上的情况。

导联	电极放置
导联 I	负极连接到 右臂 (RA)。正极连接到 左臂 (LA)。轴线为 0 度。
导联 II	负极连接到 右臂 (RA)。正极连接到 左腿 (LL)。轴线为 +60 度。
导联 III	负极连接到 左臂 (LA)。正极连接到 左腿 (LL)。轴线为 120 度。

增强肢体导联（单极性）

有 3 个增强肢体导联。这些导联提供了心脏去极化在额状面上额外的矢量视图。与导联 I、II、III 不同，增强导联需要一个中心负极端。这个虚拟的“电极”由心电图机计算得出，以测量大致起源于心脏中心的矢量。

导联	电极放置
avL	负极是中心端。正极连接到 右臂 (RA)。轴线为 -150 度。
avR	负极是中心端。正极连接到 左臂 (LA)。轴线为 -30 度。
avF	负极是中心端。正极连接到 左腿 (LL)。轴线为 +90 度。

胸导联（单极性：胸前导联）

胸前导联由其他 6 个导联和在 EKG 期间连接的电极组成。这些导联使用中心端在轴向平面测量去极化。它们提供了在心脏事件期间定位缺血或梗塞组织的关键信息。

导联	电极放置
V1	+120 度
V2	+90 度
V3	+75 度
V4	+60 度
V5	+30 度
V6	0 度

心电图 12 导联

心电图波形和间期

正常心电图的示意图

心电图模式和疾病

大多数心电图用于监测人类心脏的疾病或研究目的。一些病理模式可以在心电图上观察到，如下表所示

脑电图 - 用于 大脑

基于脑电图的脑机接口的总体方案。该接口由脑电图采集系统、用于特征提取和模式分类的数据处理软件以及将命令传输到外部设备并因此向操作员提供反馈的系统组成。

脑细胞通过产生微小的电信号（称为脉冲）相互交流。

脑电图记录了从可能连接到人头皮的 20 到 256 个电极记录的大脑电位的振荡。记录的信号被传输到由放大器、滤波器以及纸张图表或计算机显示器组成的脑电图系统。该测试由脑电图技师在医生办公室或医院或实验室进行 20~40 分钟。

脑电图 (EEG) 用于评估各种脑部疾病。在癫痫的情况下，癫痫发作活动将在脑电图上显示为快速尖峰波。^[9] 脑肿瘤或中风引起的脑损伤患者可能会有异常缓慢的脑电图波，具体取决于损伤的大小和位置。^[10] 但是，随着 MRI 和计算机断层扫描等高分辨率解剖成像技术的出现，这种应用有所减少。尽管空间分辨率有限，但脑电图仍然是研究和诊断的宝贵工具，特别是在需要毫秒级时间分辨率的情况下（CT 或 MRI 做不到）。该测试还可以用于诊断其他脑部疾病，例如阿尔茨海默病、某些精神病以及一种称为嗜睡症的睡眠障碍。脑电图还可以很好地测试大脑的整体电活动，例如药物中毒、外伤或昏迷患者的脑损伤程度。脑电图也可以用于监测手术过程中大脑的血流。

• 
  放置电极以确定脑电图 (EEG)、眼电图 (EOG) 和肌电图 (EMG)
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  达尔豪西大学的脑电图记录

脑电图 10-20 引线系统

10/20 系统或国际 10/20 系统是一种国际公认的描述头皮电极位置的方法。

脑电图国际 10-20 系统的 21 个电极

该系统基于电极位置与下方大脑皮层区域之间的关系。“10” 和“20” 指的是相邻电极之间的实际距离是头骨前后或左右总距离的 10% 或 20%。^[11][12][13]

每个位置都有一个字母来标识脑叶，还有一个数字来标识半球位置。字母 F、T、C、P 和 O 分别代表额叶、颞叶、中央叶、顶叶和枕叶。没有中央叶。“C” 字母仅用于识别目的。“z”（零）代表放置在中线的电极。偶数（2、4、6、8）代表右半球的电极位置。另一方面，奇数（1、3、5、7）代表左半球的电极位置。字母代码 A、Pg 和 Fp 分别代表耳垂、鼻咽和额极位置。

电极的定位使用两个解剖学标志：首先，鼻根是额头和鼻子之间的点。其次，枕外隆突是头部后方颅骨的最低点，通常由一个突出的隆起来指示。

在使用更多电极记录更详细的脑电图时，额外的电极使用10% 分割添加，这将填充现有 10–20 系统中那些位置之间的中间位置。这些新电极根据修正组合命名法 (MCN) 命名。MCN 系统使用 1、3、5、7、9 代表左半球，分别代表枕外隆突到鼻根距离的 10%、20%、30%、40%、50%。引入额外的字母代码有助于中间电极位置的命名。在这种情况下，这些新的字母代码并不代表下方大脑皮层的区域。中间位置的新字母代码是：AF – Fp 和 F 之间，FC – F 和 C 之间，FT – F 和 T 之间，CP – C 和 P 之间，TP – T 和 P 之间，PO – P 和 O 之间。此外，MCN 系统将 10–20 系统的四个点 - T3、T4、T5 和 T6 - 分别重新命名为 T7、T8、P7 和 P8。这种更高分辨率的命名法被建议并被称为“5% 系统”或“10–5 系统”。^[14]

不同类型的正常脑波

脑电图测量脑活动的模式。基本波形是阿尔法波、贝塔波、西塔波和德尔塔波。在脑电图中，通常检查大约 100 页或电脑屏幕的活动。基本波形需要特别注意，但也记录了短暂的能量爆发和对刺激的反应，例如光。

脑波	脑电图	特征
阿尔法波	阿尔法波	频率范围为 7 Hz 到 14 Hz，以规律的节奏出现。只有在你清醒放松但闭着眼睛时才会出现。通常在你睁开眼睛或开始集中注意力时它们会消失。
贝塔波	贝塔波。	频率范围为 15 Hz 到大约 30 Hz。它们通常与焦虑、抑郁或使用镇静剂有关。
西塔波	西塔波。	频率范围为 4 Hz 到 7 Hz。它们在儿童和年轻人中最常见。
德尔塔波	德尔塔波。	频率范围高达 4 Hz。它们通常只在睡眠中的幼儿身上出现。
伽马波	伽马波。	频率范围约为 30–100 Hz。
缪波		频率范围为 8–13 Hz。

脑皮层电图 - 来自大脑皮层

四肢瘫痪患者的脑皮层电图大脑接口-pone.0055344.s010

脑皮层电图 (ECoG) 或颅内脑电图 (iEEG) 是一种侵入性脑电图，将针状电极直接放置在大脑暴露的表面上，以记录来自大脑皮层的电活动。^[15]。脑皮层电图可以在手术室进行手术过程中（术中脑皮层电图）或手术之外进行（术外脑皮层电图），因为需要开颅术（对颅骨进行手术切口）来植入电极网格。

应用

人类脑皮层电图 (ECoG) 信号示例结果来自一位患者。图 A 显示了一张侧位 X 光片。黄色圆圈标记了参与接受性语言的电极，随后通过皮层电刺激定位确定。图 B 是一张在植入过程中拍摄的照片。图 C 显示了 SIGFRIED 映射结果，以二维示意图形式显示：每个圆盘的大小和红色程度代表每个电极参与任务的显著程度，相对于基线。在图 D 中，相同的统计数据映射到根据患者的 MRI 渲染的三维大脑模型的颜色上。

肌电图 - 用于肌肉

肌电图的步骤

肌电图 (EMG) 是一种诊断程序，用于评估和记录骨骼肌及其控制神经细胞（运动神经元）产生的电活动。^[16] 电源是肌肉膜电位，约为 -90 mV。^[17] 测量的 EMG 电位范围介于小于 50μV 和高达 20 到 30 mV 之间，最高可达所观察的肌肉。根据肌肉的大小（眼肌与臀肌）、之前的轴突损伤和其他因素，典型的肌肉运动单位发射周期率约为 7–20 Hz。运动单位的损伤约为 450 ~ 780 mV。^[16]。

眼电图 - 用于眼睛

眼电图：电极放置

眼电图 (EOG) 通常在 ERG 之后进行。EOG 记录极化电位或角膜视网膜电位 (CRP)，这是人眼正面（角膜）和视网膜后部的 Bruch 膜之间的静息电位。电位在角膜处形成一个偶极场，与眼后相比，角膜大约为 5 毫伏正，在正常照明房间内。尽管 EOG 来自视网膜的色素上皮，但电位的上升需要正常的色素上皮和正常的视网膜中层功能。

EOG 使用与 ERG 相同的颞侧外眦电极进行，并在鼻子上的眼睛内侧外眦处放置额外的电极。公共/接地电极保持在额头上。^[18]。

快速眼动睡眠期间的左眼 (LEOG) 和右眼 (REOG) 的眼电图

视网膜电图 - 用于视网膜

视网膜电图：电极放置

视网膜电图 (ERG) 测试视网膜中各种细胞的电反应，视网膜是眼球后部的衬里，包括光感受器（杆状体和锥状体）、内层视网膜细胞（双极细胞和无长突细胞）以及神经节细胞。ERG 可以单独进行，也可以与皮质视觉诱发电位 (VEP) 同时进行。VEP 通常用于测量视神经的功能，视神经是大脑的视觉部分。

对快速明亮闪光（持续时间为 50 或 100 毫秒）的 ERG 反应使用放置在角膜上、玻璃体中或视网膜内部不同水平上的细胞外电极记录，并使用数字系统进行处理。

记录条件可能多种多样，以便测试视网膜的整体健康状况和特定光感受器（不同的视网膜细胞）的功能；例如，锥状体和杆状体分别用于白天和夜间视力。

最佳反应通过接触式隐形眼镜类型的电极记录。其他类型的电极适用于临床记录。这些包括丝状、纤维和金箔类型的电极。下眼睑表面的表面电极也可以获得有用的结果。除了后者之外，都需要局部麻醉眼药水才能使电极舒适地放置。还需要瞳孔散大才能获得标准化的反应。

单闪光视网膜电图

明亮的闪光会产生 ERG，包括 a 波（初始负偏转），然后是 b 波（正偏转）。a 波是由光感受器产生的，而包括光感受器、双极细胞、无长突细胞和穆勒细胞或穆勒神经胶质细胞在内的混合细胞会导致其他波。

视网膜电图 (ERG) 主要由眼科医生和验光师在临床上使用，适用于诊断各种视网膜疾病。

• 动脉硬化导致视网膜损伤
• 全色盲
• 锥状体营养不良
• 脉络膜萎缩症
• 先天性夜盲症
• 先天性视网膜裂隙 (视网膜层的分裂)
• 巨细胞动脉炎
• 药物（氯喹、羟氯喹）
• 粘多糖贮积症
• 视网膜脱离
• 杆状体-锥状体营养不良（视网膜色素变性）
• 外伤
• 维生素 A 缺乏症

听力学 - 针对听觉系统

听力学 是一个科学领域，它识别、诊断、治疗和监测耳朵听觉和前庭系统的疾病。听力学家 是治疗听力损失患者并积极预防相关损伤的健康专业人员。根据 1991 年听力学和言语语言病理学法 (ASLPA)，加拿大安大略省的听力学范围如下：“听力学实践包括评估听觉功能以及治疗和预防听觉功能障碍，以发展、维持、康复或增强听觉和交流功能。听力学家关注儿童和成人听力障碍的预防、识别、评估、治疗和（再）康复。听力学家还为有听力困难和前庭问题（如眩晕和耳鸣）的人提供教育和咨询服务。听力学家在医院、公共卫生部门、社区卫生中心、学校、私人诊所、助听器制造商等工作。听力学家通常拥有硕士学位 (听力学)、Au.D.、STI、博士或 ScD 等资格，具体取决于课程和国家标准。

进一步引导

国际临床视觉电生理学会

实践

1. 了解每个应用中电极的放置位置。

2. 了解每个应用中的波形模式