P300/CNV事件相关电位刺激器的研制与应用(实验教育教学改革论文5)

发布时间:2008-09-25

崔岩,张一鸣,庄剑青*

   摘要

  目的:通过研制一种特殊的刺激器,使不具备事件相关电位P300、CNV(关联性负变)检测功能的普通诱发电位仪实现P300、CNV的检测。

  方法:自主设计P300/CNV刺激器的研制方案、电路和程序等,通过调试修正,完成刺激器开发。

  结果:P300/CNV事件相关电位刺激器达到设计要求,能记录出较为理想的P300和CNV波形。

  结论:成功研制出P300/CNV刺激器,此刺激器有一定通用性,可与诱发电位仪或生物信号处理系统配合使用;建立了适用于此刺激器的P300、CNV检测方法。此刺激器有一定实用性,可节约实验经费。目前市面上未见有类似产品,此刺激器已获中华人民共和国实用新型专利ZL专利号:200420081185. 5)。

  关键词:P300,CNV,事件相关电位,刺激器,诱发电位仪

  1 背景介绍

  事件相关电位(Event-Related Potentials, ERPs)是一大类特殊的脑诱发电位,属“认知电位”,与普通诱发电位(Evoked Potentials,EPs)有明显区别,如ERPS测试需要特殊的刺激模式-oddball paradigm,以启动受试者认知过程,并要求受试者积极主动的参与试验;ERP的成分除了易受刺激物理特性影响的“外源性成分”外,还有不受刺激物理特性影响的“内源性成分”,后者和认知有密切关系,主要反映注意、记忆、智能等,是ERPs的主要考察部分。P300和关联性负变(Contingent Negative Variation, CNV)是ERPs家族中研究最多、应用最广的两个指标,也是精神科临床神经生理学检查中最常用的两个指标,在临床疗效评价中有一定价值[1~4]

  然而,并非所有的诱发电位仪都具备P300和CNV检测功能,尤其是一些旧机型,如我们的Neuropack 2 MEB-7102K(日本光电公司,Nihon Kohden Corporation, Japan),主要是缺乏相应的刺激模块,而诱发脑电的采集处理过程与一般诱发脑电无异。目前市面上未见有相应配套装置可买,而购置新仪器需高额经费。因此,我们希望通过研制相应刺激装置,使Neuropack 2实现P300和CNV检测。

  2 P300/CNV事件相关电位刺激器设计方案

  P300的检测方式参照国际临床神经生理学联盟(International Federation of Clinical Neurophysiology, IFCN)的推荐标准,及相关的技术要求[5~6]。CNV 的检测方式按照传统的简单任务双刺激法[1~2],S1为短声,S2为闪光。检测P300时要求诱发电位仪有两个独立的扫描和分析窗,普通诱发电位仪如Neuropack 2只具备一个,我们采取两次检测法分别记录靶刺激和非靶刺激诱发的反应。

  刺激器功能模块及程序运行流程分别如图1、图2所示,P300和CNV刺激器为独立单元,以纽子开关切换。以PIC16F873型单片机(Microchip, USA)作为中央控制单元。

  P300刺激器组成部件:触发输出、音频输出、音量调节旋钮、低音触发/高音触发切换开关、计数器、低音刺激指示灯、高音刺激指示灯、启动/停止按钮、复位按钮、电源

  P300刺激器参数:低音1000Hz,高音2000Hz,时程50ms,刺激间隔2s,高音比例25%,低音比例75%。

  检测P300时,诱发电位仪参数设置:外触发,分析时间1s,预设50次,叠加40次,灵敏度20μv/di,低频滤波0.5Hz,高频滤波20Hz。

  CNV刺激器组成部件:触发输入、音频输出、音量调节旋钮、闪光灯输出、按键开关输入、计时器、触发/刺激指示灯、S2切断指示灯、电源

  CNV刺激器参数:音频1000Hz,时程100ms,S1-S2间隔1s,闪光持续时间(不切断)1s。

  检测CNV时,诱发电位仪参数设置:随机触发,刺激率0.2(触发间隔2.5-7.5s),分析时间2s,延时-1div(预扫200ms),预设50次,叠加30次,灵敏度20μv/di,高频滤波20Hz,低频滤波0.05 Hz较宜,不应高于0.1Hz(详见讨论部分)。

  刺激器面板布局如图3所示。

  3 P300、CNV检测方法

  选用3个盘形电极,分别为活动电极(Active)、参考电极(Reference)和接地电极(Ground)。活动电极接正极,参考电极接负极。电极安放采用国际脑电图10-20系统[1],活动电极安放于中央点(Cz),参考电极安放于右侧耳垂(A2),接地电极安放于额极点(Fpz)。检测环境及注意事项同诱发电位检测一般要求。

  3.1 检测P300

  检测要求:受试者听到高调音(2000Hz,靶刺激)心里默数,听到低调音(1000Hz,非靶刺激)不计数。

  刺激器切换至“P300”、“靶刺激触发”档,先检测靶刺激诱发反应,叠加40次。检测结束时核对受试者计数是否正确。

  再检测非靶刺激诱发反应,将刺激器切换至“非靶刺激触发”,受试者仍只对靶刺激计数。刺激器计数器显示值为非靶刺激数,可大致按“靶=非靶/3”折算。

  3.2 检测CNV

  闪光灯固定于受试者面前约50cm。刺激器切换至“CNV”档,先检测无“按键反应”时(Nogo),单纯声、光刺激诱发电位,受试者只要听着声音,看着闪光灯即可,不需主动做任何反应,叠加30次。

  再检测有“按键反应” 时(Go)诱发电位,要求受试者注意力要高度集中,听到声音之后,做好准备,一旦看到闪光,立即按键切断闪光,越快越好,在闪光出现之前按键无效。记录反应时间。正式检测前先练习10次左右。

   4 检测结果与参考资料波形对照(图4)

  5 讨论

  检测P300和CNV都需要特殊的刺激序列和方式,而诱发脑电的采集处理过程与一般诱发脑电无异。然而,并非每台脑诱发电位仪上都配备这两种刺激模块,尤其是一些旧机型,很少有能执行这两项检测的。而且旧机型一般采用封闭式架构,从硬件到软件都固化在机器内部,仪器本身无扩展性,只能通过外置刺激器进行有限的功能扩展。新型脑诱发电位仪通常由普通计算机与特制的生物信号采集处理系统(硬件和相应软件包)组合而成,具有高度扩展性。通过升级软硬件或添加相应模块,可以方便地增加仪器功能。然而,新仪器价格不菲,动辄几十万,旧仪器当初购买时也是相当昂贵的。市面上并没有相应的P300/CNV刺激器,如果仅仅为了测试这两个指标就放弃旧仪器,购买新仪器,代价昂贵,且浪费资源。因此,我们希望通过研制外置刺激器,使普通诱发电位仪实现这两个指标的检测。

  上海市精神卫生中心曾利用国产的TQ-19数据处理机、ND-82B脑电图机、电生理刺激器等设备组建了CNV检测系统[2];国内耳科学界曾与中科院生物物理研究所合作,用7S11A信息处理机、Amplitvox82型听力计等研制成CNV检测系统[1]。未检索到自己组建P300检测系统的资料,原因可能是建立P300检测系统的难度很大,因为它涉及随机序列、两套触发和刺激系统、两个完全独立的分析窗口。而普通的诱发电位仪并不具备两套触发和分析系统。我们利用先进的单片机技术,通过精巧的程序控制,分次检测T和NT诱发电位,这样便轻松绕过诱发电位仪本身的限制,使只有一套触发和分析系统的Neuropack 2实现了P300的检测。只是检测时间相应延长2min左右。CNV刺激器相对容易实现。

  单片机是微型计算机的一个主要分支,在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言,一块单片机芯片就是一台计算机。单片机有很多优点,如性价比高;集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强;低功耗、低电压;系统扩展和系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统等[7]。PIC16F873型单片机是一种8位单片机,为闪存型(FLASH)芯片,便于开发和调试,程序的反复擦写次数可多达10万次以上,可以大大缩短开发时间,减少开发成本。该芯片内部集成了EEPROM,断电后实验中记录的所有数据可以长期保留。PIC16F873总共有21个I/O端口。我们将其中9个I/O端口用作驱动两个LED数码管,数码管的发光采用轮流扫描,利用人眼的暂存现象使显示的数字保持完整。2个I/O端口用作输入,2个用作输出,其余的I/O端口空置。以4MHz晶体振荡器作为芯片的振荡源,晶体振荡器受环境影响极小,频率相当稳定,有利于提高电路的可靠性和稳定性。由于所有需要用到的电路功能都由程序软件来完成,所以整个电路结构相当简洁。每一个刺激系统(P300 和CNV刺激器相对独立)的电路版只有一张名片大小,装配上外壳也相当小巧轻便。

  程序方面采用“模块型”设计。除了主程序外,发声、闪光、数码显示、触发脉冲捕捉、计时等均用子程序编写。“模块型” 程序的优点是:若要增加功能,只要增加相应的“模块”就可以了,不必重写整个程序,这给将来功能的扩展带来很大的方便。单片机程序的稳定性是一项很重要的指标,我们在硬件上启用“看门狗” 功能,软件上采用“指令冗余”�“软件陷阱”和“I/O端口定期刷新”等抗干扰抑制技术,使受到干扰的程序能迅速纳入正轨。由于措施得当所以整个系统的稳定性很高,在以后的实际使用中未出现过程序跑飞或死机现象。

  当然,本刺激器还有不少可以改进的地方,如将CNV刺激系统触发方式也设计成触发输出,可使其适用面更广,能用在更多种诱发电位仪上。而且S1-S2间期、S2与下一S1间期控制更加灵活,可根据要求任意设定,不受诱发电位仪内置参数限制。

  我们测得的CNV波幅一直偏小,后经Dr. Shinba(Toyko Institute of Psychiatry)和曾兆麟教授(上海中医药大学)先后指出,我们的CNV波幅偏低与低频滤波设置偏高(我们起先用0.5Hz)有关。低频滤波应为1/(2π*T),T为时间常数,一般不小于3倍的刺激间隔[5],故低频滤波设为0.05Hz较为合适。Picton TW等[6]提供了一个粗略的的估算规则,低频滤波约为1/(4*分析时间)。综合起来,低频滤波不应高于0.1Hz,设置偏高会使波幅减小。

  本刺激器为我们节省了大笔经费,有一定实用性。目前市面上未见有类似产品。我们的检测结果得到了国外同行认可,与其他学者的结果有一定可比性。

  6 结论

  成功设计并研制出P300/CNV事件相关电位刺激器,具有一定通用性,普通的诱发电位仪或生物信号处理系统只要有“触发输入、触发输出”接口,就能检测P300和CNV;本刺激器已获中华人民共和国实用新型专利授权(ZL专利号:200420081185. 5,授权公告号:CN 2713981 Y)

  致谢

  感谢曾兆麟教授、Dr. Toshikazu Shinba(Department of Stress Disorders Research, Toyko Institute of Psychiatry)、陈兴时、梁建华医师(上海市精神卫生研究中心电生理检查室)的帮助和指导,杨华元、顾训杰、夏锦杉、汤伟昌和高明老师(金工机械实验室)的技术支持,姜梅玲的辅助工作。

  

 

  参考文献

  [1]       潘映辐,主编.临床诱发电位学,第2版.北京:人民卫生出版社,1999.1-60,343-346,579-622

  [2]       张明岛,陈兴时.脑诱发电位学.上海:上海科技教育出版社,1995.1-31,219-310

  [3]       McCallum WC. Potentials related to expectancy, preparation and motor activity, in: T.W.Picton (Ed.), Human Event-related Potentials, Elsevier, Amsterdam, 1988, pp. 437-534.

  [4]       吴大兴,姚树桥.常见神经心理疾病的认知电位特征.中国临床康复.2002,6(17):2510-2512.

  [5]      Goodin D, Desmedt J, et al.  IFCN recommended standards for long-latency auditory event-related potentials. Report of an IFCN committee. International Federation of Clinical Neurophysiology, Electroencephalogr.Clin.Neurophysiol., 91, (1994) 18-20.

  [6]       Picton TW, Bentin S, et al. Guidelines for using human event-related potentials to study cognition: recording standards and publication criteria, Psychophysiology, 37, (2000) 127-152.

  [7]       张迎新等,编著.单片机初级教程-单片机基础.北京:北京航空航天大学出版社,2000.4-5

   

  作者简介:

  崔岩(1977-),男,江苏徐州人,硕士,现为香港中文大学临床肿瘤学系研究助理。目前主要从事肿瘤抑制基因拟遗传学 (Cancer Epigenetics) 研究。

  当前地址:香港沙田威�斯亲王医院癌症中心315室,肿瘤拟遗传学实验室

  电话:(852)-26321126;Email: thundercui@gmail.com