麻醉深度監(jiān)測的腦電信號數(shù)據(jù)采集與處理

麻醉深度監(jiān)測不僅對于提高麻醉質(zhì)量和保障手術安全，而且對減少麻醉并發(fā)癥以及控制麻醉藥品用量具有極為重要的意義。因此，麻醉深度監(jiān)測一直是外科手術關注的重要問題。自Gibbs等人首次提出用腦電信號EEG(ElectroEncephaloGran)監(jiān)測麻醉深度的可能性，已引起人們對應用EEG監(jiān)測麻醉深度的研究。近年來利用腦電信號反映鎮(zhèn)靜水平和麻醉藥物濃度，以用于麻醉深度的監(jiān)測，并越來越受到臨床重視，成為研究的熱點。早期對腦電信號監(jiān)測麻醉深度主要是依靠EEG波形的時域特征分析,隨著快速傅里葉變換(FFT)技術的成熟，越來越多的EEG頻域特征，如中間頻率(MF)和譜邊緣頻率(SEF)等被用來反映麻醉深度。如今，最為流行的方法是EEG的雙譜指數(shù)(BIS)[1]，它較靈敏地反映了麻醉深度。但由于存在對不同藥物、不同麻醉方法反應不同的缺點，使其不能獨立應用于臨床麻醉監(jiān)測。迄今為止尚未尋找到普遍適用的，且適用于臨床麻醉深度實時監(jiān)測的特征指標。由于腦電信號中包含了豐富的、與意識及記憶相關的信息，Theiler等人的研究表明腦電是非線性的[2]，但不是源于低維的混沌；Pritchard等人也指出腦電不是低維的非線性系統(tǒng)[3]。因此腦電信號具有非線性和混沌的特征，而熵(Entropy)則是描述這些特性的重要指標[4-5]。目前非線性動力學方法被廣泛地應用于非平穩(wěn)信號的處理，時頻均譜熵[6]TBSE(Time-FrequencyBalancedSpectralEntropy)分析是其中之一。腦電信號是一種非平穩(wěn)信號，而熵分析方法適合于對腦電信號的處理。時頻均譜熵是一種對復雜性進行度量的分析方法，它不需要對時間序列粗?；?，僅需很短的數(shù)據(jù)即可達到穩(wěn)定的值。與其他復雜性參數(shù)相比，具有計算速度快、適合在線實時分析的特點，因此在信號處理相關領域得到很好的應用。EEG序列的時頻均譜熵表現(xiàn)了EEG序列中產(chǎn)生新模式的概率大小，其概率越大，序列的復雜性越大，時頻均譜熵值也越大。

1時頻均衡譜熵方法

時頻均衡譜熵(TBSE)是在shannon熵[7]的基礎上闡述頻譜熵的概念，它結合時域和頻域分析,應用窗可變的短時傅里葉變換，計算特定腦電信號頻譜帶的不規(guī)則性。TBSE算法中計算了兩個熵值:(1)狀態(tài)熵(SE)。反映了腦電主要頻帶(0.8Hz～32Hz)的作用；(2)反應熵(RE)。反映了腦電和額肌(0.8Hz～47Hz)的快肌肉活動的共同作用。二者差值(RE-SE)即為肌電熵(EMG)。狀態(tài)熵和反應熵可以區(qū)分有意識和無意識狀態(tài)，可通過肌電活動反映鎮(zhèn)靜程度和疼痛反應，體現(xiàn)了麻醉深度監(jiān)測中應用多種方法進行綜合分析的趨勢(如腦電結合肌電熵分析)。

(1)首先在不同的頻率段計算出能量譜，然后對所有的能量譜元素求和再進行歸一化：


TBSE作為一種可描述系統(tǒng)復雜性的參數(shù)，它具有一些相對其他復雜性參數(shù)所不具備的特征：

(1)通過較短的數(shù)據(jù)序列，即可得到穩(wěn)定的肌電熵值。
(2)原始信號不需要粗?；?。
(3)具有很強的抗噪聲及抗干擾能力，尤其是對隨機產(chǎn)生的瞬態(tài)強干擾具有良好的屏蔽作用。因為隨機產(chǎn)生的較強干擾勢必造成距離大于給定的相似容限距離，而在距離檢測時被忽略。
(4)適用于確定信號、隨機信號以及確定信號和隨機信號組成的混合信號。

因為生理信號通常是由確定信號、隨機信號組成的混合信號，而且分析所需數(shù)據(jù)長度較短，很適合非平穩(wěn)信號(如腦電)的監(jiān)測，因此TBSE非常適合于臨床生理信號的監(jiān)測分析。

2腦電信號數(shù)據(jù)采集與處理

2.1數(shù)據(jù)采集

在麻醉深度監(jiān)控中，感興趣的EEG信號頻率范圍一般<70Hz，通常選擇系統(tǒng)采樣頻率在200Hz以上可調(diào)，默認為250Hz。因為要求得到3~4通道的腦電及肌電信號，故信號采樣頻率采用1kHz。腦電信號的前端處理主要包括信號采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換及去噪。

(1)電極選取：麻醉監(jiān)測的電極采用BIS公司的電極,這種電極具有與頭部接觸性好、對人體無損害、無痛、方便等特點。

(2)電極采集位置：EEG的采集位置如圖1所示，采集右前額或左前額的腦電信號，并以前額的正中間電極作為參考電極。

(3)濾波、放大及A/D的參數(shù)：正常濾波范圍是3Hz～70Hz，喪失濾波時濾波范圍0.25Hz～100Hz。采樣頻率：1000次/s。通道數(shù)：4個電極，2導EEG數(shù)據(jù)。

2.2信號預處理

由于頭皮記錄的腦電信號中通常包含許多干擾(如心電、眼動、肌動等生理學噪聲，以及電極或環(huán)境噪聲等非生理學噪聲),這些偽差往往與正常病理特征EEG的波形或頻譜相混淆,容易掩蓋EEG的波形特征。因此，獲取EEG信號中反映大腦活動和狀態(tài)的有用信息,就必須有效地去除腦電數(shù)據(jù)中的偽差。偽差的去除通過對采集到的EEG信號,首先丟棄一些噪聲非常大的信號點或者段，然后將信號重組分段。對于每段信號，先檢測各種可能的偽差信號的存在性，若檢測到某種偽差存在，再進行相應的去除操作，這樣可減小計算量。

另外需要注意的是，通常一些干擾,如眼動、肌動，僅在病人清醒狀態(tài)下存在,在麻醉時則很少受其影響。因此病人在清醒和麻醉期間,應采取不同的去噪算法，當病人狀態(tài)發(fā)生變化時，應及時切換去噪算法,通過肌電熵閾值判斷病人狀態(tài)轉(zhuǎn)換時刻，進行去噪算法選擇。腦電信號預處理部分框圖如圖2所示。



在采集到原始腦電信號中，不可避免會出現(xiàn)超過放大器動態(tài)范圍的信號點或段，這是由于放大器設置不合適，或者電極在頭皮上發(fā)生移動造成的。這類偽差由于無法重建，所以被干擾的部分信號必須丟棄。根據(jù)采集到的信號的均值統(tǒng)計特性，確定其閾值并進行識別，然后判斷是否丟棄信號。

2.3偽差檢測和去除方法

預處理過程中，將前幾段EEG信號的方差與前幾段的平均值相比，若存在明顯差異，則標記為含噪段，然后進行后續(xù)的各種偽差檢測和去除步驟；無明顯不同，則標記為無噪段，無需經(jīng)過后續(xù)步驟，直接可以進行麻醉深度參數(shù)提取。注意逐段計算過程中前幾段的方差均值需要不斷更新調(diào)整。

(1)在麻醉監(jiān)控過程中，病人呼吸是不可避免的，呼吸作用可以通過在EEG上附加一個有節(jié)奏的信號(一般0Hz~0.8Hz)。對于皮膚的反映，如流汗可能改變電極的阻抗，這些都會產(chǎn)生一些低頻波,為EEG帶來基線漂移。可采用截止頻率為0.5Hz的高通濾波器濾去這部分干擾。另外，基于感興趣的EEG信號頻率范圍有限，故一般將其信號通過一個低通濾波器，其截止頻率可選,默認值為70Hz。
(2)由于EEG是低功率信號，易受環(huán)境噪聲影響。手術室中，腦電信號獲取設備周圍可能有大電流設備，它們會引起EEG的工頻干擾,在EEG的50/60Hz和100/120Hz附近產(chǎn)生大的擾動，與頻率有關。因此，在檢測時采用計算50/60±2Hz上的功率占整段信號總功率之比進行干擾判斷，若大于某給定閾值，則存在干擾。去除這種干擾，可使用50/60Hz陷波濾波器，如6thButterworth濾波器。

(3)眼電信號(EOG)偽差一般是低頻(0~16Hz)高幅波，具有明顯的時域模式，一般是方形波或者大的尖峰，可以在時域、頻域計算信號特征來識別(根據(jù)相鄰多個數(shù)據(jù)段的特征)。應用小波自適應閾值化方法去除EOG偽差，是在EOG存在子帶上，選擇合適的閾值及閾值化方法去除，既不需要EOG參考通道，也不需要人的干預，可自動去除。

(4)肌電信號(ECG)一般具有周期性,頻率主要在13Hz~32Hz左右。其檢測可利用其自身規(guī)律性結合頻域特征，提取13Hz~32Hz頻帶信號計算其能量，再根據(jù)系數(shù)的局部變化選擇合適閾值，進行閾值化以突出偽差存在位置，檢測偽差發(fā)生中心點；利用基于中心點的時序鎖定(time-locked)平均計算ECG平均模板除去ECG偽差。肌電熵(EMG)通常持續(xù)時間較短，檢測其存在性，可應用卡爾曼自適應濾波方法去除，同時也可除去其他瞬態(tài)大幅度信號干擾。此外，信號中也可能含有高斯白噪聲，可以采用小波Bayes估計方法去除。

3結果與分析

圖3(a)所示為一段清醒期的腦電信號，包含有肌電和眼動的噪聲。圖3(b)是采用上述方法去噪后的結果，其中眨眼和眼球動干擾明顯被去除，高頻的肌電干擾也被濾除掉了。表明該濾波器工作可靠有效。



圖4(a)、(b)是一段EEG信號及其對應的麻醉藥物七氟醚濃度。從圖4(c)可以看出病人在注射麻醉藥品之后的不同時間段內(nèi)，EEG的反應熵都有一定的變化。在EEG信號的初始階段，病人EEG的反應熵較高，其值在0.75～0.85之間。在麻醉120s后，反應熵明顯下降，麻醉190s后，反應熵的值在0.4上下波動。EEG信號的肌電熵如圖4(d)所示，可以看出，其值在0.1～0.4之間波動，麻醉190s之后接近于0，表示病人進入麻醉狀態(tài)。



由于病人對外界刺激的反應，在病人清醒或麻醉不足時,額前測得的腦電信號中會出現(xiàn)含有肌電信號(圖4(d))。因此肌電信號可作為由清醒到麻醉、由麻醉到覺醒的指示標志信息。根據(jù)這一特點，設定一閾值，當肌電熵大于閾值時，病人處于清醒狀態(tài)；當肌電熵小于閾值時，病人處于麻醉狀態(tài)。由此判斷出狀態(tài)切換時刻之后，可以對應不同的狀態(tài)，采取不同的預處理方法：眼電信號和肌電信號的偽差只可能在清醒狀態(tài)影響腦電信號，因此只能在清醒期進行檢測和去除即可；其他偽差檢測和去除在整個記錄中均可進行。



本文從40余例注射麻醉藥品后的EEG信號中，選取33個EEG信號片斷，進行時頻均衡譜熵分析，將分析結果作直方圖統(tǒng)計進行分析。圖5(a)為注射麻醉藥品之后的反應熵分布直方圖,可以看出此時EEG信號的反應熵主要分布在0.55～0.80之間。圖5(b)為注射麻醉藥品之后的狀態(tài)熵分布直方圖,可以看出此時EEG信號的狀態(tài)熵主要分布在0.45～0.75之間?？梢姡S著麻醉深度的不同，反應熵的值會隨之變化，麻醉深度越深，反應熵的值越?。宦樽砩疃仍綔\，反應熵的值越大。這是由于麻醉深度的加深，大腦神經(jīng)元的興奮性受到抑制，EEG信號的隨機程度降低，產(chǎn)生新模式的概率降低，反應熵的值也就相應降低。麻醉深度減輕時則剛好相反，這一結果很好地驗證了時頻均衡譜熵作為臨床麻醉深度監(jiān)測指標的正確性和可行性。

從麻醉狀態(tài)下EEG信號的時均衡譜熵分析結果可以看出，在注射麻醉藥品180s左右，反應熵的值開始下降，190s肌電熵趨于0，病人進入麻醉狀態(tài)，這一結果很好地印證了七氟醚的藥理特性。通過分析可以看出,EEG序列的時均衡譜熵與麻醉深度之間有著密切的關系，可靈敏地反映出麻醉深度的變化。雖然在表征麻醉深度的變化趨勢有些緩慢，但由于時均衡譜熵本身具有達到穩(wěn)定值所需計算窗口小、抗干擾性強的特點，作為麻醉深度的實時監(jiān)測，仍然是一種好的方法。實驗結論是基于七氟醚麻醉藥得到的，與其他麻醉藥的相關性結論還待進一步的深入研究。