如何提高聽覺誘發(fā)反應(yīng)的信噪比

　　信號通常指傳輸?shù)母信d趣的成分。噪聲則常認(rèn)為是任何不需要的信號成分。聽覺誘發(fā)反應(yīng)中，所有同反應(yīng)無關(guān)的信號都是噪聲，某些特殊的噪聲稱為“偽跡”。信噪比（signal-to-noise，SNR)定義為信號的強度同噪聲強度的比值，用于比較信號強度同噪聲強度。在回答如何提高聽覺誘發(fā)反應(yīng)的信噪比這一問題之前，我們先來看一看，聽覺誘發(fā)反應(yīng)中有哪些噪聲？

　　1腦電和肌電

　　腦電（electroencephalogram(EEG)），對一個正常的大腦，有或無外界刺激時，都會出現(xiàn)，頻率范圍在1-30Hz，振幅在20-200uv。肌肉在靜息或收縮時，都有電活動。一般來說，在記錄聽覺誘發(fā)反應(yīng)時，肌電活動都是干擾，需要盡量避免。例如：眨眼、耳后肌肉的收縮。肌電的頻率高達數(shù)千Hz，振幅可在數(shù)十-幾千uv。

　　2公用電的干擾

　　在我國家用電的頻率是50Hz，在歐美是60Hz。電極甚至是未屏蔽的電極連接頭或是病人同放大器之間的電極電纜可拾取50Hz、60Hz或50Hz、60Hz諧波（諧波，從嚴(yán)格的意義上講，電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量。例如：若基波的頻率是50Hz，其諧波的頻率可以是100Hz，150Hz、200Hz）的干擾。

　　3測試用的換能器

　　用于臨床聽力學(xué)記錄聽覺誘發(fā)反應(yīng)的耳機有TDH39和ER-3A。TDH-39是一個低阻抗的動圈耳機。在高聲強時，TDH-39可以產(chǎn)生電磁場，導(dǎo)致刺激偽跡。插入式耳機換能器的盒子和記錄電極相隔一定的距離，可以更好的減少刺激的偽跡。

　　那么聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄中，有哪些技術(shù)可以提高信噪比呢？

　　1放大

　　聽覺誘發(fā)反應(yīng)的振幅相對于腦電振幅要小得多，正常腦電的振幅可以是聽覺誘發(fā)反應(yīng)最大振幅的100倍。電極置于頭顱的任何位置，理論上，任一位置記錄到的腦電都是一樣的，但是因距離聽覺誘發(fā)反應(yīng)產(chǎn)生部位的不同，頭顱的不同位置記錄到的聽覺誘發(fā)反應(yīng)振幅、相位有差異。聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄中，電極（active、reference、common）拾取的信號和噪聲，輸入到前置放大器（通常是差分放大器），經(jīng)過放大器處理后，參考電極（reference）記錄到的波形的相位發(fā)生反相，而記錄電極（active）記錄到的波形的相位并不反相。結(jié)合差分放大器的共模抑制（可參考6月29日微信《聽覺誘發(fā)反應(yīng)記錄中的基本概念》一文），噪聲信號得以減小或消除，所需的信號得以放大。

　　但是僅僅依靠差分放大器的作用，并不能完全的消除噪聲的影響。首先，記錄電極和參考電極兩個輸入端采集到的噪聲的振幅、相位等不一定是一模一樣的；其次，聽覺誘發(fā)反應(yīng)記錄的是記錄電極和參考電極兩個點的電勢差，有可能相對于噪聲的振幅，電勢差仍很小。因此聽覺誘發(fā)反應(yīng)記錄時，把電極放置于生物電極性相反的位點或是信號產(chǎn)生的神經(jīng)解剖偶極子（下一期，將對偶極子詳細解析）相對應(yīng)的平面時，動作電極和參考電極兩個輸入端記錄的電勢差是最大的。

　　2濾波

　　以上談到的噪聲，腦電、肌電、公用電等都有各自的頻率范圍。有的噪聲的頻率在我們感興趣的聽覺誘發(fā)反應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，有的有重疊。通過設(shè)置濾波，將同聽覺誘發(fā)反應(yīng)無關(guān)的噪聲在進行平均之前除掉。濾波包括高通、低通和帶通、帶阻。低通濾波允許信號中的低頻信號通過，而超過設(shè)定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。高通濾波則是高于設(shè)定臨界值的高頻信號可以通過。如果設(shè)有低通截止頻率，還設(shè)有高通截止頻率，則只有這個頻段范圍內(nèi)的信號通過，稱為帶通濾波。例如：腦電波的頻率高達30Hz，肌電的頻率可高達3000Hz，人聽性腦干誘發(fā)電位的頻率約在100-1000Hz(KevanishviliZ,AphonchenkoV.1979)，因此我們常設(shè)置帶通濾波的低通截止頻率為3000Hz、高通截止頻率在30Hz的，希望盡可能降低腦電和肌電的干擾，保留所感興趣的反應(yīng)信號。

　　陷波濾波（notchfilter）也是一種帶通濾波，可以在某一個頻率點迅速衰減輸入信號，以達到阻礙此頻率信號通過的濾波效果，常用于把公用電的干擾去除。例如：大多數(shù)聽覺誘發(fā)電位的記錄系統(tǒng)在參數(shù)設(shè)置一項都有：notchfilter，即是用于降低公用電的干擾。但是對于是否在聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄中使用notchfilter，仍存在一些爭議。陷波濾波最大的問題是陡峻的陷波濾過可引起反應(yīng)相位和潛伏期的改變，對于記錄皮層誘發(fā)反應(yīng)時，使用陷波濾過有可能會除掉部分皮層聽覺誘發(fā)反應(yīng)的能量，影響記錄的準(zhǔn)確性和有效性。

　　3信號的平均技術(shù)

　　信號分為模擬和數(shù)字兩種。模擬信號指的是在時間上連續(xù)的(不間斷)，數(shù)值幅度大小也是連續(xù)不間斷變化的信號，例如：腦電波。數(shù)字信號則是在時間上不連續(xù)的信號。如果對模擬信號進行抽樣、量化、編碼可轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，對模擬信號進行數(shù)字傳輸，進行分析。例如：一天24小時的氣溫是一個模擬信號，如果每一整點對氣溫進行采樣。每一整點的氣溫在24小時是離散的數(shù)字信號，實現(xiàn)了模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。如果對某一帶寬有限的時間連續(xù)信號（模擬信號）進行抽樣，且抽樣速率達到一定數(shù)值時，那么根據(jù)這些抽樣值就能準(zhǔn)確的確定原信號。那么，多少次的抽樣是合適的呢？依據(jù)Nyquist抽樣定律，當(dāng)抽樣頻率大于或等于信號頻譜的最高頻率的兩倍時，抽樣后的信號就包含原連續(xù)信號的全部信息，而不會有信息丟失，當(dāng)需要時，可以根據(jù)這些抽樣信號的樣本來還原原來的連續(xù)信號。聽覺誘發(fā)反應(yīng)記錄時，給出刺激后的信號分析時間窗是有限的時間，采集到的信號是模擬信號，例如：click聲誘發(fā)的ABR的分析時間窗（epoch）是10ms，濾波設(shè)為30-3000Hz，則抽樣率至少是6000次/s，10ms的分析時間窗內(nèi)有600個采樣點。對于特定時間內(nèi)的采樣點的數(shù)目同計算機的分辨率以及同得到的反應(yīng)波的數(shù)目也有關(guān)。

　　理論上，噪聲是隨機出現(xiàn)的，而信號總是在刺激后經(jīng)過一定的潛伏期才出現(xiàn)的，是同外界的刺激鎖時的。則同樣的刺激，不同時的刺激，在某些刺激以后，在特定的采樣時間點，噪聲的電壓是正向的；在另一些刺激以后，同樣的時間采樣，噪聲的電壓是負向的，將多次刺激的結(jié)果進行疊加，則經(jīng)過疊加，那些隨機的噪聲被減弱或完全抵消了；但是，對于聽覺誘發(fā)反應(yīng)的信號，總是在特定的潛伏期出現(xiàn)，相位一致，經(jīng)過多次刺激以后，反應(yīng)信號經(jīng)過疊加，反應(yīng)的振幅增加了，信噪比就提高了。

　　信噪比同刺激重復(fù)率（stimuluspresentations，stimulusrepetitionsandsweep是同義詞）的平方根成正比。刺激重復(fù)率從0增加到1000，可提高SNR32倍。當(dāng)刺激重復(fù)率從2000增加到3000，僅使信噪比從45倍提高到55倍，其對SNR的影響減弱。因此當(dāng)刺激重復(fù)率超過2000以后，增加刺激重復(fù)率，提高信噪比獲益減小。

　　在此，一定要強調(diào)指出的是，聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄不僅僅用到了信號平均技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其它的信號處理技術(shù)應(yīng)運而生，也在聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄中有體現(xiàn)。例如：Fsp、優(yōu)化點變異率（point－optimizedvarianceration(POVR))、最大長度序列（maximumlengthsequences(MLS)）。限于篇幅關(guān)系，在此，不一一詳述。

　　前述了聽覺誘發(fā)反應(yīng)的過程中，提高信噪比的技術(shù)手段，有些依賴于儀器設(shè)備本身的硬件設(shè)備。臨床實踐工作中，我們會發(fā)現(xiàn)在相同的記錄條件下，有些設(shè)備的記錄反應(yīng)波形分化好、有些則差強人意，則可能同儀器設(shè)備本身相關(guān)。例如：前置放大器的優(yōu)劣。我們還會發(fā)現(xiàn)同一套設(shè)備，不同的測試環(huán)境、受試者反應(yīng)波形的質(zhì)量不盡相同，則說明還有一些其它的因素影響信噪比。最重要的因素就是噪聲太大。臨床實踐操作中，理想的記錄條件下，例如記錄ABR時，即使500次的疊加，也可以得到可信的ABR反應(yīng)波。噪聲的振幅是決定信號平均的質(zhì)量以及最少的疊加次數(shù)的關(guān)鍵因素。降低背景噪聲的整體振幅是提高SNR最有效的辦法。限制噪聲是比增加平均次數(shù)更有效和準(zhǔn)確的記錄方法。

　　在日常聽覺誘發(fā)反應(yīng)的記錄中，我們可以

　　1.優(yōu)化記錄環(huán)境。例如：將記錄電極、前置放大器、受試者置于專業(yè)的電磁屏蔽室中，設(shè)備主機、電腦、測試者置于電磁屏蔽室外間。醫(yī)用電路同日常照明等非醫(yī)用電路分開，醫(yī)用電路接地線。

　　2.提供給受試者放松的、舒適的環(huán)境。例如：ABR測試時，房間的燈不要太亮，燈泡不要直接照在病人臉部，給受試者提供一張足夠?qū)挸ǖ拇?。試想：一個受試者身寬50cm，身高175cm，睡在一個40cm寬的床上，若沒有像小龍女樣非凡的臥繩功夫，想放松是不可能的事情。