缺血／缺氧脑损伤特征信息无创提取基础研究
作者：张继武 郑崇勋 宦 飞 刘 峰 黄远桂 吴保仁
单位：(张继武 郑崇勋 宦飞 刘峰)西安交通大学 生物医学工程研究所，西安 710049；(黄远桂 吴保仁)第四军医大学 西京医院 神经内科，西安 710032
关键词：缺血/缺氧；脑损伤；脑电信号；无创；特征提取；信号处理
生物医学工程学杂志990217 摘要 脑血管疾病是目前城市人口死亡和致残的主要原因之一。随着科技发展和研究手段的提高，国外许多研究机构十分重视缺血/缺氧脑损伤的基础研究。我们结合国内外研究现状，着重简要介绍了这方面所做的一些研究工作及最新成果，主要包括(1)脑损伤动物实验模型；(2)诱发电位提取技术；(3)脑损伤脑电信号特征信息的提取。
The Basic Study of Noninvasive Detecting
, http://www.100md.com
the Ischemic/hypoxic Cerebral Injury
Zhang Jiwu Zheng Chongxun Huan Fei Liu Fen Huang Yuangui Wu Baoren
Institute of Biomedical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049
The Fourth Military Medical university, Xi'an 710032
Abstract The cerebrovacular diseases are important causes of mortality and disability in the world, and with the development of science and technology, many mission-oriented basic researches are aimed at the ischemic/hypoxic brain injury. This paper introduces some progress made in our research in this field, which includes: the animal experiment model of brain injury; the technique to efficiently extract evoked potentials from electroencephalogram; and the identification of the characteristic information of brain injury.
, 百拇医药
Key words Ischemia/hypoxia Brain injury Cerebral neuroelectric signals Noninvasive detection Characteristic information Signal processing
1 概 述
脑血管疾病是目前城市人口死亡和致残的主要原因，给社会、国家、家庭带来了巨大的经济损失。其早期诊断及时正确治疗，是改善预后、减少病残和死亡的关键[1]。缺血型脑血管疾病一直是神经科学领域研究的热点。局灶性缺血脑损伤的早期无创定位技术，则更是一个临床意义极大却尚未解决的问题。
心、肺和脑部手术以及其他一些手术中，常因供氧供血不足导致患者脑部缺血/缺氧，对颈部或颈部血管外科手术前的阻断检查[2]，都需要一种实时灵敏的无创监测技术，及时诊断缺血程度和缺血区域。
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脑电信号(脑电图Electroencephalogram, EEG；脑诱发电位Evokde potential, EP)在脑血管疾病的诊断和临床监护中有不可替代的重要作用[3]。
近年来，随着科技发展和研究手段的提高，国外许多研究机构十分重视缺血/缺氧脑损伤的基础研究。在全脑缺氧脑损伤方面，美国的Johns Hopkins大学的Thakor教授的研究最具代表性，在IEEE等多种国际学术刊物上发表了文章，影响较大。对于局灶性缺血脑损伤，国外从90年代开始有所研究。局灶性脑缺血损伤的早期无创定位方法和技术尚未见报导。
国内对于脑缺氧/缺血损伤的研究尚处于起步阶段。从80年代后期，上海第二医科大学、西安第四军医大学等开始涉足这一领域，主要是对脑栓塞后脑细胞损伤机理的研究，以医学实验研究为主，未采用先进的工程手段对大脑缺血/缺氧早期诊断和监护技术进行深入研究。
我们所从1996年9月开始与美国Johns Hopkins大学、第四军医大学合作采用新的动物实验模型，对局灶性缺血脑损伤进行联合研究并取得新的进展，完成了近40例动物实验，提出了一些新的脑神经电功能检测方法，取得了令人满意的效果。
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2 缺血/缺氧脑损伤动物实验模型
建立一个能真实反映大脑缺血/缺氧脑损伤状态，符合临床缺血/缺氧脑损伤的情况的动物模型是研究大脑缺血/缺氧脑损伤的关键。全脑缺氧脑损伤与缺血脑损伤的病理生理较为接近，脑电信号有些近似的表现，其动物实验模型较易实现，故国际上许多研究都先从全脑缺氧脑损伤开始着手。
模型1：在早期的工作中，Thakor采用了猫全脑缺氧脑损伤实验模型：猫被麻醉后，让其呼吸含氧量为7%～8%的气体，直到SEP降到正常时幅值的10%以下，再让猫呼吸100%的氧气，观察其恢复情况[4～6]。
模型2：乳猪全脑缺氧脑损伤实验模型：采用出生一周的乳猪，让麻醉后的乳猪先缺氧30 min(呼吸含氧量为7%～8%的气体)，再呼吸5 min正常室内空气，然后窒息7 min，最后让其呼吸100%的氧气以使恢复，记录整个过程及恢复最初4 h的EEG。
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缺血性脑血管疾病大部分是局灶性缺血脑损伤，虽然其动物实验模型制作较为困难，但由于其研究意义更大，许多学者或单位都在这方面进行了研究。目前见诸文献的报道很多，虽然阻塞的血管或区域不同，但从实施方法上可归结为：
(1)结扎、钳夹法。通过结扎或者钳夹血管阻断血流，用夹闭方式阻塞某一血管，造成局灶性脑缺血。钳夹缺血可以通过松开钳子恢复血流，观察大脑功能恢复情况，还可进行反复缺血实验。这种方法由于易操作，目前应用较多，例如：
模型3：中脑动脉(MCA)阻塞动物实验模型：将猫麻醉，通过显微手术经眼眶处暴露MCA，用血管钳夹住颅内的颈总动脉发出端进行阻塞[7]。
模型4：脑干缺血动物实验模型：实验动物(犬)暴露基底动脉，用银夹在小脑下动脉起源下方夹闭基底动脉下端，再逐一夹闭基底动脉中段和上段。
(2)内栓塞法。用细的尼龙绳、导管(医用硅胶管)漂浮至靶血管进行阻塞，可以产生较小区域的缺血，而以拔出尼龙绳或导管恢复供血。
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(3)颅内加压灌注法。这是一种早期使用的方法，向颅内注射人工配置的脑脊液(或生理盐水)，增高颅内压，靠压力阻断血流，造成缺血。这种方法存在一些不足，一是脑损伤的原因不仅是由于缺血，而且存在颅内压增高造成的损伤，二是无法控制和确定阻塞的血管，因而目前已不太使用。
这些动物实验模型水平最高的可以做到阻塞大脑中动脉，更小范围的缺血实验动物模型目前尚未见报道。这些动物实验模型都存在两个方面的问题，(1)没有考虑或消除侧支循环的影响；(2)脑神经元代谢产物无法清理。因而其造成脑损伤的因素很多，无法加以区分，不能确切分析单纯缺血与脑功能变化之间的关系。
在第四军医大学有关专家的大力帮助和合作下，作者提出了一个新的局灶性缺血脑损伤动物实验模型，该模型的特点是利用生理盐水灌注阻止侧支循环供血，并将代谢产物带走，排除代谢产物的影响，可造成较轻度的大脑局灶性缺血，以研究单纯缺血对脑功能的影响。其损伤区域和损伤程度都得到热休克蛋白(HSP)表达分析结果的证实[8]。
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模型5：选用SD大鼠，雌雄不拘，体重(250±20) g。用2%的戊巴比妥钠麻醉剂，腹腔注射0.8 ml/250 g。行气管切开术并插管以维持自然呼吸。分离左颈总动脉约0.8 cm，于近心端处结扎，切开动脉顺行插管，用于灌注生理盐水，调整灌注压，以造成大脑局灶性缺血，同时可阻止侧支循环供血。灌流量调至0.2 ml/min。缺血时间为30 min[8]。
3 诱发电位提取技术
前面已经提到，诱发电位对缺血/缺氧脑损伤很敏感。但是，众所周知，诱发电位信号很微弱，一般其幅值为0.1～20 μV，而伴随的自发EEG信号本身就在50 μV以上，使所要提取的微弱的信号淹没在较大的噪声背景中，其提取和辨识相当困难。因此，诱发电位的提取技术长期以来一直是国际生物医学工程界和信号处理界致力研究的课题。
国外自70年代起开始着手诱发电位单次提取的研究[9]。随着研究的深入，不断有新方法和思路被用于这一领域。其中包括卡尔曼滤波、参数建模、自适应滤波、正交变换、人工神经网络等，可参阅文献[10，11]。在此仅介绍一些未见综述的最新研究成果。
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1995年，王云华等提出了空间偶极子求逆法[12]，可以最优地估计偶极子参数，由两次连续刺激记录中提取视觉诱发电位。方法的主要局限是要求信号在被处理的时间范围内保持空间模式的基本不变。Lange等提出了一种鲁棒参变估计子(Robust parametric estimation)来单次提取动作相关电位[13]。Hansson等提出用普罗尼(Prony)方法估计事件相关电位[14]。
也有不少研究试图改进平均方法。于小虎(音译)等1994年提出用峰成分潜伏期校正平均(Peak component latency-corrected averag-
e)方法估计诱发电位波形[15]。Gupta等进一步提出用非线性排成直线平均(Nonlinear alignment and averaging)方法估计诱发电位[16]。这些方法很好地估计出诱发电位的波形与幅值，但忽略了每个单次响应之间的差异，丢失了潜伏期等具有重要临床意义的信息。
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1997年，P.Husar和G.Henning提出用双谱提取诱发电位[17]。双谱是对时间序列的三阶累积量作两次Fourier变换，由于Gauss过程的三阶以上(包括三阶)的累积量为零，利用此特点，对得到的原始诱发电位信号进行双谱分析，然后重构信号，便可以消除Gauss噪声，得到信噪比较高的诱发电位。
我们提出奇异性检测技术用于提取脑诱发电位[18]，分析了诱发电位信号与白噪声以及自发脑电信号的奇异性之间的区别，它们的小波变换模极大值沿尺度传递的不同特点，首次提出利用这些区别消除诱发电位信号中的自发脑电，重构出消噪后的信号。该技术利用较少的刺激次数就可以获取诱发电位信号，有效地提高了信噪比，大大减少了迭加次数，特征波的潜伏期及幅值容易辨认，易于测量。用奇异性检测技术提取诱发电位，不损失信号频率成分，因而比多分辨率分析等其他方法适应范围更广。同时，这种方法有良好的线形相位特性，能很好地保留信号的相位信息。图1为一个仿真例子。
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图1 (a)一个迭加4次的VEP信号；(b)去噪后的重构信号与参照信号之间的比较，实线为用奇异性检测技术去噪后的重构信号，虚线为迭加256次的参照信号
Fig 1 (a)The noisy VEP signal obtained from a young woman, which is averaged 4 repetitions; (b)The comparing dashed wave is averaged 256 repetitions. The solid wave is the reconstructed denoise VEP signal with 4 repetitions only
4 缺血/缺氧脑损伤脑电信号特征信息提取
Thakor等1993年提出了用正交基函数(Fourier函数和Walsh函数)自适应模型分析时变体感诱发电位信号的方案[4，19]。他们并不分离诱发电位信号，而是设法获得SEP逐次变化的信息。动物实验模型即为前面介绍的模型1，全过程记录SEP。
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他们用正交基函数来监视脑功能随时间变化的情况。研究结果表明，高频成分反映了脑功能的时变性，可作为脑功能评价标准。从SEP的连续峰幅值变化来看，幅值响应滞后于缺氧脑损伤。研究不同频率成分的响应，可以看到，当全脑缺氧时(呼吸含氧量为7%～8%的气体时)，低频响应较慢，而高频迅速衰减；在恢复供氧(呼吸100%的氧气)后，低频成分的幅值最先恢复，而高频成分幅值在恢复供氧的头4 h中没有完全恢复。文中指出，低频与高频的不同表现可以作为损伤程度的诊断指标。该研究表明SEP信号的频谱与缺氧脑损伤有密切的关系。
Thakor等[20]还提出了自适应相关估计算法(ACE)用于研究脑损伤诱发电位的非线性变化，即用自适应算法估计函数的相关性，进而确定脑信号正常与非正常之间的线性关系，效果较好。
Thakor应用该方法对动物实验模型1得到的数据进行了分析(有关实验过程同上)。对SEP用自适应相关性估计算法处理的结果可以看出：当相关性趋近零值时自适应相关性估计表现为非线性关系；缺氧发生时，相关性谱响应极为迅速而明显。值得注意的是，在呼吸100%氧气后，相关性只是部分恢复，没有完全恢复到对照值，这也许是有不可逆损伤产生。
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这个实验支持了损伤三个阶段的划分：急性损伤(Acute injury)发生的早期阶段(相关性剧降)，延迟性兴奋毒性损伤(Delay exitotoxic injury)阶段(相关性较低而平稳)，恢复(Recovery)阶段(相关性迅速回升)[20]。
文献[5]应用Mallat的塔式算法，用三次B样条小波将信号分解低频近似成分(Coarse)和高频细节(Detail)成分，然后对各尺度分量(文中计算了4个尺度)用滑动集总平均法计算了各尺度SEP分量的变化情况。
文中应用该方法分析了前面已介绍的猫缺氧脑损伤动物实验数据，研究结果表明：SEP信号的低频成分幅值随着缺氧程度的增大逐渐减小，而所有反映SEP高频成分的细节信号幅值随着缺氧程度的增大迅速减小。文中特别指出：高频细节成分在恢复供氧阶段恢复得相当慢，可能是有残余脑损伤；个别案例高频细节成分的不可恢复可能意味着不可逆脑损伤。这些结果都具有重要的临床诊断价值。
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Vaibhava Goel等[21]建立了乳猪全脑缺氧脑损伤实验模型(动物实验模型2)，提出使用域频分析的方法分析EEG信号，将信号分为低(1.0～5.5 Hz)、中(9.0～14.0 Hz)、高(18.0～21.0 Hz)三个频段，可以看出，在正常、缺氧、窒息、恢复的整个过程中，EEG信号的不同频率成分的能量值变化不同。缺氧时，低频信号的能量降低，而中、高频信号的能量增大了60%～76%；窒息即刻，低频信号的能量更低，中、高频信号的能量比正常时增大280%～400%；但在窒息发生1 min左右，所有频率成分的能量降到几乎为零；在恢复阶段，低频信号恢复得极好。该文籍此提出了平均归一化分离系数(Mean normalized separation)作为脑电功能的一个诊断指标。
作者针对SD大鼠局灶性缺血脑损伤动物实验模型(模型5)，采集了不同阶段、不同部位的体感诱发电位(SEP)和EEG信号，应用现代信号处理技术，进行了分析和研究[22，23]。
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首先我们在联合时频域对SEP进行了分析，提出并定义了能量重心(Weighted center of power，WCOP)作为脑神经电活动的特征指标。将局灶性缺血损伤脑SEP的时变谱结构显示于二维时频地形图上，在发生局灶性缺血脑损伤的早期，缺血区域与非缺血区域在地形图上即有易于识别的特征，可以区分损伤区域与非损伤区域，并对损伤程度进行诊断。在缺血过程中，WCOP有敏感的变化。SEP的联合时频分析比单纯时域分析(如原始信号的峰值、潜伏期)或者单纯频域分析(如功率谱)能反映更多的信号内涵信息，提取出了脑神经电功能变化的重要特征，有助于临床更为准确地进行诊断。图2为我们对SD大鼠局灶性缺血脑损伤SEP信号进行时频分析的结果。
左：大鼠缺血30 min左脑的时频分布；右：大鼠缺血30 min右脑的时频分布
Left:left brain's; Right:right brain's
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图2 SD大鼠缺血30 min左右脑的SEP的时频等高线图DGS
Fig 2 Time-frequency distribution of left and right brain's SEP after 30 minutes' ischemia
我们还用非线性动力学复杂度对SD大鼠缺血不同时刻、不同部位的EEG进行了分析，结果也很令人满意。图3为我们对一只SD大鼠进行分析的结果，可以看出，缺血前(正常状态)左右脑EEG的复杂度几乎完全相同；缺血开始即刻，大脑两侧的EEG复杂度都急剧升高，这是损伤时机体的应急反应；随着损伤的继续，EEG的复杂度开始降低，缺血15 min和30 min，左脑(缺血区域)与右脑(正常区域)的EEG复杂度都降低，而且左脑低于右脑，有明显的差别。值得一提的是，在左脑缺血30 min时，左脑EEG复杂度降到低于缺血前的正常值。
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图3 SD大鼠左脑局灶性缺血脑损伤不同时刻左、右脑EEG复杂度变化曲线
Fig 3 The varying curve of left and right brain's EEG complexity of a left brain focal ischemia in SD rat at different moments
5 小结与展望
本文简要介绍了我们所掌握的国内外缺血/缺氧脑损伤诊断监护技术研究的新进展，并介绍了我们从事这方面研究的一些最新成果。下面再简单谈几点对进一步深入研究的考虑。
(1)动物实验。提高动物实验水平，阻塞更小的血管，以便实现更小范围的脑缺血，接近临床实际；动物缺血时间分组更多、更细，每个时间组都做冷冻切片分析，使每一缺血状态的信号分析结果与相应的免疫组化分析对照；进行长时间动物实验以及损伤可恢复性实验，更深入地研究大脑对缺血的耐受性和可恢复性。
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(2)人的临床脑电信号数据的采集。因为我们研究的最终目的是用于人的诊断和监护，这就需要和医学院校更为紧密地合作，取得大量第一手临床数据，并将分析结果与目前医学界公认的诊断技术结果对照。
(3)诱发电位单次提取技术一直是国际上许多学者致力的问题，我们虽然提出了一种较为有效的方法，可以用较少的迭加次数得到较为满意的诱发电位信号，但仍未能实现单次提取。诱发电位与自发脑电并非一种加性关系，必须结合其它方法更好地提取诱发电位。
(4)用非线性方法寻找脑神经电功能的特征变化。我们研究的自发或诱发脑电信号是人脑有数以亿计的神经元细胞放电的宏观表现，已有研究证明人的自发脑电信号存在混沌现象。作者的研究也证实了这一点，即用非线性的方法研究脑电信号，可以得到更多线性技术无法得到的特征信息。
注释：国家教育部博士点基金资助(97069837)
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西安交通大学博士学位论文基金资助(DFXTU 1997-7)
参考文献
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21 Goeal V，Thakor NV. Dominant frequency analysis of EEG reveals brain's response during injury and recovery. IEEE Trans Biomed Eng, 1996; 43∶1083
22 张继武，郑崇勋，陶伟忠.局灶性缺血脑损伤早期无创定位技术研究.中国生物医学工程学报，(已录用)
23 张继武，郑崇勋.局灶性缺血脑损伤EEG信号的复杂度研究.生物医学工程学杂志，1999；16(1)∶37
收稿：1997-07-12 修回：1998-03-27, 百拇医药
单位：(张继武 郑崇勋 宦飞 刘峰)西安交通大学 生物医学工程研究所，西安 710049；(黄远桂 吴保仁)第四军医大学 西京医院 神经内科，西安 710032
关键词：缺血/缺氧；脑损伤；脑电信号；无创；特征提取；信号处理
生物医学工程学杂志990217 摘要 脑血管疾病是目前城市人口死亡和致残的主要原因之一。随着科技发展和研究手段的提高，国外许多研究机构十分重视缺血/缺氧脑损伤的基础研究。我们结合国内外研究现状，着重简要介绍了这方面所做的一些研究工作及最新成果，主要包括(1)脑损伤动物实验模型；(2)诱发电位提取技术；(3)脑损伤脑电信号特征信息的提取。
The Basic Study of Noninvasive Detecting
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Zhang Jiwu Zheng Chongxun Huan Fei Liu Fen Huang Yuangui Wu Baoren
Institute of Biomedical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049
The Fourth Military Medical university, Xi'an 710032
Abstract The cerebrovacular diseases are important causes of mortality and disability in the world, and with the development of science and technology, many mission-oriented basic researches are aimed at the ischemic/hypoxic brain injury. This paper introduces some progress made in our research in this field, which includes: the animal experiment model of brain injury; the technique to efficiently extract evoked potentials from electroencephalogram; and the identification of the characteristic information of brain injury.
, 百拇医药
Key words Ischemia/hypoxia Brain injury Cerebral neuroelectric signals Noninvasive detection Characteristic information Signal processing
1 概 述
脑血管疾病是目前城市人口死亡和致残的主要原因，给社会、国家、家庭带来了巨大的经济损失。其早期诊断及时正确治疗，是改善预后、减少病残和死亡的关键[1]。缺血型脑血管疾病一直是神经科学领域研究的热点。局灶性缺血脑损伤的早期无创定位技术，则更是一个临床意义极大却尚未解决的问题。
心、肺和脑部手术以及其他一些手术中，常因供氧供血不足导致患者脑部缺血/缺氧，对颈部或颈部血管外科手术前的阻断检查[2]，都需要一种实时灵敏的无创监测技术，及时诊断缺血程度和缺血区域。
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脑电信号(脑电图Electroencephalogram, EEG；脑诱发电位Evokde potential, EP)在脑血管疾病的诊断和临床监护中有不可替代的重要作用[3]。
近年来，随着科技发展和研究手段的提高，国外许多研究机构十分重视缺血/缺氧脑损伤的基础研究。在全脑缺氧脑损伤方面，美国的Johns Hopkins大学的Thakor教授的研究最具代表性，在IEEE等多种国际学术刊物上发表了文章，影响较大。对于局灶性缺血脑损伤，国外从90年代开始有所研究。局灶性脑缺血损伤的早期无创定位方法和技术尚未见报导。
国内对于脑缺氧/缺血损伤的研究尚处于起步阶段。从80年代后期，上海第二医科大学、西安第四军医大学等开始涉足这一领域，主要是对脑栓塞后脑细胞损伤机理的研究，以医学实验研究为主，未采用先进的工程手段对大脑缺血/缺氧早期诊断和监护技术进行深入研究。
我们所从1996年9月开始与美国Johns Hopkins大学、第四军医大学合作采用新的动物实验模型，对局灶性缺血脑损伤进行联合研究并取得新的进展，完成了近40例动物实验，提出了一些新的脑神经电功能检测方法，取得了令人满意的效果。
, 百拇医药
2 缺血/缺氧脑损伤动物实验模型
建立一个能真实反映大脑缺血/缺氧脑损伤状态，符合临床缺血/缺氧脑损伤的情况的动物模型是研究大脑缺血/缺氧脑损伤的关键。全脑缺氧脑损伤与缺血脑损伤的病理生理较为接近，脑电信号有些近似的表现，其动物实验模型较易实现，故国际上许多研究都先从全脑缺氧脑损伤开始着手。
模型1：在早期的工作中，Thakor采用了猫全脑缺氧脑损伤实验模型：猫被麻醉后，让其呼吸含氧量为7%～8%的气体，直到SEP降到正常时幅值的10%以下，再让猫呼吸100%的氧气，观察其恢复情况[4～6]。
模型2：乳猪全脑缺氧脑损伤实验模型：采用出生一周的乳猪，让麻醉后的乳猪先缺氧30 min(呼吸含氧量为7%～8%的气体)，再呼吸5 min正常室内空气，然后窒息7 min，最后让其呼吸100%的氧气以使恢复，记录整个过程及恢复最初4 h的EEG。
, http://www.100md.com
缺血性脑血管疾病大部分是局灶性缺血脑损伤，虽然其动物实验模型制作较为困难，但由于其研究意义更大，许多学者或单位都在这方面进行了研究。目前见诸文献的报道很多，虽然阻塞的血管或区域不同，但从实施方法上可归结为：
(1)结扎、钳夹法。通过结扎或者钳夹血管阻断血流，用夹闭方式阻塞某一血管，造成局灶性脑缺血。钳夹缺血可以通过松开钳子恢复血流，观察大脑功能恢复情况，还可进行反复缺血实验。这种方法由于易操作，目前应用较多，例如：
模型3：中脑动脉(MCA)阻塞动物实验模型：将猫麻醉，通过显微手术经眼眶处暴露MCA，用血管钳夹住颅内的颈总动脉发出端进行阻塞[7]。
模型4：脑干缺血动物实验模型：实验动物(犬)暴露基底动脉，用银夹在小脑下动脉起源下方夹闭基底动脉下端，再逐一夹闭基底动脉中段和上段。
(2)内栓塞法。用细的尼龙绳、导管(医用硅胶管)漂浮至靶血管进行阻塞，可以产生较小区域的缺血，而以拔出尼龙绳或导管恢复供血。
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(3)颅内加压灌注法。这是一种早期使用的方法，向颅内注射人工配置的脑脊液(或生理盐水)，增高颅内压，靠压力阻断血流，造成缺血。这种方法存在一些不足，一是脑损伤的原因不仅是由于缺血，而且存在颅内压增高造成的损伤，二是无法控制和确定阻塞的血管，因而目前已不太使用。
这些动物实验模型水平最高的可以做到阻塞大脑中动脉，更小范围的缺血实验动物模型目前尚未见报道。这些动物实验模型都存在两个方面的问题，(1)没有考虑或消除侧支循环的影响；(2)脑神经元代谢产物无法清理。因而其造成脑损伤的因素很多，无法加以区分，不能确切分析单纯缺血与脑功能变化之间的关系。
在第四军医大学有关专家的大力帮助和合作下，作者提出了一个新的局灶性缺血脑损伤动物实验模型，该模型的特点是利用生理盐水灌注阻止侧支循环供血，并将代谢产物带走，排除代谢产物的影响，可造成较轻度的大脑局灶性缺血，以研究单纯缺血对脑功能的影响。其损伤区域和损伤程度都得到热休克蛋白(HSP)表达分析结果的证实[8]。
, http://www.100md.com
模型5：选用SD大鼠，雌雄不拘，体重(250±20) g。用2%的戊巴比妥钠麻醉剂，腹腔注射0.8 ml/250 g。行气管切开术并插管以维持自然呼吸。分离左颈总动脉约0.8 cm，于近心端处结扎，切开动脉顺行插管，用于灌注生理盐水，调整灌注压，以造成大脑局灶性缺血，同时可阻止侧支循环供血。灌流量调至0.2 ml/min。缺血时间为30 min[8]。
3 诱发电位提取技术
前面已经提到，诱发电位对缺血/缺氧脑损伤很敏感。但是，众所周知，诱发电位信号很微弱，一般其幅值为0.1～20 μV，而伴随的自发EEG信号本身就在50 μV以上，使所要提取的微弱的信号淹没在较大的噪声背景中，其提取和辨识相当困难。因此，诱发电位的提取技术长期以来一直是国际生物医学工程界和信号处理界致力研究的课题。
国外自70年代起开始着手诱发电位单次提取的研究[9]。随着研究的深入，不断有新方法和思路被用于这一领域。其中包括卡尔曼滤波、参数建模、自适应滤波、正交变换、人工神经网络等，可参阅文献[10，11]。在此仅介绍一些未见综述的最新研究成果。
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1995年，王云华等提出了空间偶极子求逆法[12]，可以最优地估计偶极子参数，由两次连续刺激记录中提取视觉诱发电位。方法的主要局限是要求信号在被处理的时间范围内保持空间模式的基本不变。Lange等提出了一种鲁棒参变估计子(Robust parametric estimation)来单次提取动作相关电位[13]。Hansson等提出用普罗尼(Prony)方法估计事件相关电位[14]。
也有不少研究试图改进平均方法。于小虎(音译)等1994年提出用峰成分潜伏期校正平均(Peak component latency-corrected averag-
e)方法估计诱发电位波形[15]。Gupta等进一步提出用非线性排成直线平均(Nonlinear alignment and averaging)方法估计诱发电位[16]。这些方法很好地估计出诱发电位的波形与幅值，但忽略了每个单次响应之间的差异，丢失了潜伏期等具有重要临床意义的信息。
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1997年，P.Husar和G.Henning提出用双谱提取诱发电位[17]。双谱是对时间序列的三阶累积量作两次Fourier变换，由于Gauss过程的三阶以上(包括三阶)的累积量为零，利用此特点，对得到的原始诱发电位信号进行双谱分析，然后重构信号，便可以消除Gauss噪声，得到信噪比较高的诱发电位。
我们提出奇异性检测技术用于提取脑诱发电位[18]，分析了诱发电位信号与白噪声以及自发脑电信号的奇异性之间的区别，它们的小波变换模极大值沿尺度传递的不同特点，首次提出利用这些区别消除诱发电位信号中的自发脑电，重构出消噪后的信号。该技术利用较少的刺激次数就可以获取诱发电位信号，有效地提高了信噪比，大大减少了迭加次数，特征波的潜伏期及幅值容易辨认，易于测量。用奇异性检测技术提取诱发电位，不损失信号频率成分，因而比多分辨率分析等其他方法适应范围更广。同时，这种方法有良好的线形相位特性，能很好地保留信号的相位信息。图1为一个仿真例子。
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图1 (a)一个迭加4次的VEP信号；(b)去噪后的重构信号与参照信号之间的比较，实线为用奇异性检测技术去噪后的重构信号，虚线为迭加256次的参照信号
Fig 1 (a)The noisy VEP signal obtained from a young woman, which is averaged 4 repetitions; (b)The comparing dashed wave is averaged 256 repetitions. The solid wave is the reconstructed denoise VEP signal with 4 repetitions only
4 缺血/缺氧脑损伤脑电信号特征信息提取
Thakor等1993年提出了用正交基函数(Fourier函数和Walsh函数)自适应模型分析时变体感诱发电位信号的方案[4，19]。他们并不分离诱发电位信号，而是设法获得SEP逐次变化的信息。动物实验模型即为前面介绍的模型1，全过程记录SEP。
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他们用正交基函数来监视脑功能随时间变化的情况。研究结果表明，高频成分反映了脑功能的时变性，可作为脑功能评价标准。从SEP的连续峰幅值变化来看，幅值响应滞后于缺氧脑损伤。研究不同频率成分的响应，可以看到，当全脑缺氧时(呼吸含氧量为7%～8%的气体时)，低频响应较慢，而高频迅速衰减；在恢复供氧(呼吸100%的氧气)后，低频成分的幅值最先恢复，而高频成分幅值在恢复供氧的头4 h中没有完全恢复。文中指出，低频与高频的不同表现可以作为损伤程度的诊断指标。该研究表明SEP信号的频谱与缺氧脑损伤有密切的关系。
Thakor等[20]还提出了自适应相关估计算法(ACE)用于研究脑损伤诱发电位的非线性变化，即用自适应算法估计函数的相关性，进而确定脑信号正常与非正常之间的线性关系，效果较好。
Thakor应用该方法对动物实验模型1得到的数据进行了分析(有关实验过程同上)。对SEP用自适应相关性估计算法处理的结果可以看出：当相关性趋近零值时自适应相关性估计表现为非线性关系；缺氧发生时，相关性谱响应极为迅速而明显。值得注意的是，在呼吸100%氧气后，相关性只是部分恢复，没有完全恢复到对照值，这也许是有不可逆损伤产生。
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这个实验支持了损伤三个阶段的划分：急性损伤(Acute injury)发生的早期阶段(相关性剧降)，延迟性兴奋毒性损伤(Delay exitotoxic injury)阶段(相关性较低而平稳)，恢复(Recovery)阶段(相关性迅速回升)[20]。
文献[5]应用Mallat的塔式算法，用三次B样条小波将信号分解低频近似成分(Coarse)和高频细节(Detail)成分，然后对各尺度分量(文中计算了4个尺度)用滑动集总平均法计算了各尺度SEP分量的变化情况。
文中应用该方法分析了前面已介绍的猫缺氧脑损伤动物实验数据，研究结果表明：SEP信号的低频成分幅值随着缺氧程度的增大逐渐减小，而所有反映SEP高频成分的细节信号幅值随着缺氧程度的增大迅速减小。文中特别指出：高频细节成分在恢复供氧阶段恢复得相当慢，可能是有残余脑损伤；个别案例高频细节成分的不可恢复可能意味着不可逆脑损伤。这些结果都具有重要的临床诊断价值。
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Vaibhava Goel等[21]建立了乳猪全脑缺氧脑损伤实验模型(动物实验模型2)，提出使用域频分析的方法分析EEG信号，将信号分为低(1.0～5.5 Hz)、中(9.0～14.0 Hz)、高(18.0～21.0 Hz)三个频段，可以看出，在正常、缺氧、窒息、恢复的整个过程中，EEG信号的不同频率成分的能量值变化不同。缺氧时，低频信号的能量降低，而中、高频信号的能量增大了60%～76%；窒息即刻，低频信号的能量更低，中、高频信号的能量比正常时增大280%～400%；但在窒息发生1 min左右，所有频率成分的能量降到几乎为零；在恢复阶段，低频信号恢复得极好。该文籍此提出了平均归一化分离系数(Mean normalized separation)作为脑电功能的一个诊断指标。
作者针对SD大鼠局灶性缺血脑损伤动物实验模型(模型5)，采集了不同阶段、不同部位的体感诱发电位(SEP)和EEG信号，应用现代信号处理技术，进行了分析和研究[22，23]。
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首先我们在联合时频域对SEP进行了分析，提出并定义了能量重心(Weighted center of power，WCOP)作为脑神经电活动的特征指标。将局灶性缺血损伤脑SEP的时变谱结构显示于二维时频地形图上，在发生局灶性缺血脑损伤的早期，缺血区域与非缺血区域在地形图上即有易于识别的特征，可以区分损伤区域与非损伤区域，并对损伤程度进行诊断。在缺血过程中，WCOP有敏感的变化。SEP的联合时频分析比单纯时域分析(如原始信号的峰值、潜伏期)或者单纯频域分析(如功率谱)能反映更多的信号内涵信息，提取出了脑神经电功能变化的重要特征，有助于临床更为准确地进行诊断。图2为我们对SD大鼠局灶性缺血脑损伤SEP信号进行时频分析的结果。
左：大鼠缺血30 min左脑的时频分布；右：大鼠缺血30 min右脑的时频分布
Left:left brain's; Right:right brain's
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图2 SD大鼠缺血30 min左右脑的SEP的时频等高线图DGS
Fig 2 Time-frequency distribution of left and right brain's SEP after 30 minutes' ischemia
我们还用非线性动力学复杂度对SD大鼠缺血不同时刻、不同部位的EEG进行了分析，结果也很令人满意。图3为我们对一只SD大鼠进行分析的结果，可以看出，缺血前(正常状态)左右脑EEG的复杂度几乎完全相同；缺血开始即刻，大脑两侧的EEG复杂度都急剧升高，这是损伤时机体的应急反应；随着损伤的继续，EEG的复杂度开始降低，缺血15 min和30 min，左脑(缺血区域)与右脑(正常区域)的EEG复杂度都降低，而且左脑低于右脑，有明显的差别。值得一提的是，在左脑缺血30 min时，左脑EEG复杂度降到低于缺血前的正常值。
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图3 SD大鼠左脑局灶性缺血脑损伤不同时刻左、右脑EEG复杂度变化曲线
Fig 3 The varying curve of left and right brain's EEG complexity of a left brain focal ischemia in SD rat at different moments
5 小结与展望
本文简要介绍了我们所掌握的国内外缺血/缺氧脑损伤诊断监护技术研究的新进展，并介绍了我们从事这方面研究的一些最新成果。下面再简单谈几点对进一步深入研究的考虑。
(1)动物实验。提高动物实验水平，阻塞更小的血管，以便实现更小范围的脑缺血，接近临床实际；动物缺血时间分组更多、更细，每个时间组都做冷冻切片分析，使每一缺血状态的信号分析结果与相应的免疫组化分析对照；进行长时间动物实验以及损伤可恢复性实验，更深入地研究大脑对缺血的耐受性和可恢复性。
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(2)人的临床脑电信号数据的采集。因为我们研究的最终目的是用于人的诊断和监护，这就需要和医学院校更为紧密地合作，取得大量第一手临床数据，并将分析结果与目前医学界公认的诊断技术结果对照。
(3)诱发电位单次提取技术一直是国际上许多学者致力的问题，我们虽然提出了一种较为有效的方法，可以用较少的迭加次数得到较为满意的诱发电位信号，但仍未能实现单次提取。诱发电位与自发脑电并非一种加性关系，必须结合其它方法更好地提取诱发电位。
(4)用非线性方法寻找脑神经电功能的特征变化。我们研究的自发或诱发脑电信号是人脑有数以亿计的神经元细胞放电的宏观表现，已有研究证明人的自发脑电信号存在混沌现象。作者的研究也证实了这一点，即用非线性的方法研究脑电信号，可以得到更多线性技术无法得到的特征信息。
注释：国家教育部博士点基金资助(97069837)
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西安交通大学博士学位论文基金资助(DFXTU 1997-7)
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22 张继武，郑崇勋，陶伟忠.局灶性缺血脑损伤早期无创定位技术研究.中国生物医学工程学报，(已录用)
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收稿：1997-07-12 修回：1998-03-27, 百拇医药