早产儿脑电图：一种多模态神经生理学方案

摘要

本视频介绍了新生儿脑电活动及其感觉反应的背景理论，随后展示了在新生儿重症监护室中进行记录的实际操作过程。

摘要

自20世纪50年代初引入以来，脑电图（EEG）已广泛应用于新生儿重症监护病房（NICU），用于评估和监测早产儿和足月儿的脑功能。最常见的临床指征包括癫痫发作的诊断、脑成熟度的评估以及缺氧缺血性事件后的恢复情况监测。尽管脑电图记录技术及对新生儿脑电图信号的理解已显著进步，但这些进展在临床传统中的普及仍较为缓慢。本演示的目的是将先进的脑电图记录理论与实践引入新生儿监护单元。

在理论部分，我们将通过动画展示早产儿大脑如何产生自发性和诱发性脑电活动，这两种活动均为该发育阶段所特有，并且对大脑的正常成熟至关重要。近期的动物研究表明，大脑的结构发育在早期脑电活动中得到清晰反映。其中最重要的结构是不断发育的长距离连接以及短暂存在的皮层下板结构（subplate）。早产儿接受感觉刺激后会产生可在单次试验水平上观察到的反应，这些反应的神经基础在于皮层下板与皮层之间的相互作用。这使得新生儿脑电图很容易融入多模态研究，其中脑电图不仅记录皮层功能，还通过不同感觉模式检测皮层下板的功能。最后，临床上适用的高密度阵列脑电帽以及能够记录低频信号的放大器的引入，揭示了大量以往被忽视的大脑活动。

在本视频的实践部分，我们展示了如何在新生儿重症监护室中对暖箱内的早产儿进行多模态高密度阵列脑电图研究。视频演示了婴儿和暖箱的准备工作、脑电帽的佩戴以及感觉刺激的实施过程。

方案

1. 为婴儿脑电图研究准备婴儿及婴儿床/保育箱

1. 安排脑电图检查时，应避免与其他新生儿重症监护室（NICU）操作（如采血或超声检查）同时进行，因为这些操作可能干扰脑电设备及婴儿的觉醒状态。
2. 在喂养后立即开始记录，此时婴儿最有可能在脑电图记录期间入睡。为便于操作，可在喂养前或进行其他护理操作前预先安置所有记录电极，以便喂养后立即开始脑电图检查。
3. 确保没有不必要的电子设备连接至婴儿。
4. 将与脑电图记录相关的所有导线尽可能远离婴儿床内其他导线。如治疗允许，关闭床体加热功能。
5. 若出现电干扰，可尝试通过逐一关闭设备（有时甚至逐一拔除电源插头）来识别干扰源。
6. 确保婴儿头部未接触潮湿或湿润的织物，以免增加外部噪声源对婴儿的干扰耦合。

2. 高密度阵列脑电图帽的应用

1. 用稀释的酒精或婴儿洗发水浸湿的布擦拭婴儿头皮，以去除干扰性的蜡质和油脂。通过目视评估婴儿的头围大小，选择最合适的脑电图（EEG）帽尺寸，确保帽顶部位能牢固贴合头顶，且颞部电极位于耳垂上方适当位置（共有五种不同尺寸的EEG帽，适用于极早期早产儿至足月新生儿）。
2. 如有可能，应由两人协作佩戴EEG帽，一人负责操作EEG帽，另一人固定婴儿头部以及可能存在的气管插管或鼻塞式持续气道正压通气（CPAP）管路。若患者正在接受CPAP治疗，可在放置EEG帽所需的10至20秒内暂时移除，之后再将CPAP固定带绕过EEG帽重新固定。
3. （可选）若婴儿头部有静脉输液管路，需先将其断开，并穿过EEG帽上预留的专用孔道（本研究所用EEG帽均设有此孔道）。否则，需改用头部网状帽配合单个电极安放法，该方法可在NEMO研究网站查看（见http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php）。
4. 将婴儿抱稳，使其面部朝向操作者。双手持帽，用手指将帽体中央向内翻转，使中心区域（Cz和Pz电极）首先接触头皮。
5. 轻柔地将帽体沿头部滚动，使其接近最终位置。最后在左右和前后方向上对称调整帽位。通过确认Cz电极位于两耳连线中点（左右方向）来检查对称性。在将帽子拉过前额时，可用拇指轻压婴儿双眼上方的前额部位以固定头部。
6. 系紧下巴带，松紧度应足以固定EEG帽，同时不影响婴儿正常呼吸。此时还需再次确认所选帽型尺寸是否合适。本视频中展示的EEG帽看似略松，但其前额和枕部覆盖良好，且顶后部与头皮接触充分。此类EEG帽共提供五种尺寸，可适配从极早期早产儿到足月新生儿的不同头围。本视频中使用的型号预计可在未来数周内持续适用于该婴儿。
7. 使用连接粗钝头凝胶针头（“针尖”）的注射器，通过电极孔向电极内注入导电凝胶。弯曲的针头有助于接触难以直接触及的电极点。填充凝胶时应避免溢出，以防在相邻电极间形成导电桥接，甚至污染枕头导致伪迹产生。在此方面，使用黏度较高的凝胶配方更为实用，且允许在佩戴EEG帽前预先进行凝胶涂抹（参见参考文献1）。
8. 检查阻抗及脑电图信号质量，并根据需要采用轻柔的机械摩擦或所谓的SurePrep方法处理头皮^2,3（http://www.helsinki.fi/science/eeg/videos/sureprep/）。同时通过脑电图软件显示的阻抗值或观察脑电图波形质量，评估皮肤接触状况。应先从参考电极和接地电极开始，然后依次处理一侧大脑半球，以尽量减少婴儿移动。
9. 当阻抗值达到可接受水平（通常低于15 kΩ），或未滤波信号已足够清晰时，即可开始脑电图记录。需注意，阻抗常随时间逐渐改善，因此应预留数分钟时间让阻抗趋于稳定。

3. 多导生理传感器的应用

1. 通过在下巴下方贴附两个肌电图（EMG）电极来记录肌张力（肌电图；EMG）。在贴附电极前应轻柔地准备皮肤。
2. 通过在胸部或肩部放置两个心电图（ECG）电极来记录心跳。若需识别可能的癫痫性躯体运动，肩部贴附电极较为有利。在贴附电极前应轻柔地准备皮肤。
3. 通过前额脑电图（EEG）电极记录眼动（眼电图，EOG）（此时无需额外电极），或在眼睛外侧眼角附近贴附独立的EOG电极。然而，在最小的早产儿中，有时可能需要使用贴附于眼睑的压电传感器（本视频未展示），因其视网膜可能极化程度不足，无法产生可检测的电场。在贴附电极前应轻柔地准备皮肤。
4. 使用环绕腹部或胸部躯干的拉伸敏感型换能器带监测呼吸运动。确保换能器足够紧以在记录中显示呼吸运动，同时又足够松以允许无限制呼吸。对于自主呼吸的婴儿，需特别注意避免限制呼吸运动（另见 http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php）。
5. 若临床需要，可在预期出现异常运动的任何身体部位添加运动敏感型压电传感器。
6. 调整与脑电图同步的视频摄像机位置，确保婴儿全身在画面中清晰可见。在脑电图检查的特定阶段，可选择聚焦于特定身体部位，例如在进行触觉刺激时观察手或脚。

4. 记录

1. 在整个记录过程中，密切观察信号质量，一旦发现任何信号质量下降，应及时进行校正。同时关注婴儿状态，对可能在后续离线脑电图解读中有意义的任何事件（例如：临床体征、运动、药物使用）添加注释。
2. 若记录过程中出现伪迹，应立即排查原因并及时纠正。许多伪迹会永久性影响脑电信号的后续使用。
3. 根据个体情况调整记录时长，确保脑电图检查至少包含一次完整的各种警觉状态：清醒期、活跃睡眠期和安静睡眠期。大多数情况下，记录时间需要40至90分钟。
4. 在婴儿深度睡眠时进行感觉刺激（见下文第5节）。建议等待至进入安静睡眠期后再实施。
5. 脑电图记录结束后，取下电极帽和其他传感器，并用湿布擦拭婴儿头皮，清除残留的导电膏。
6. 先对脑电帽和其他配件进行机械清洁，然后根据医院的消毒规范进行灭菌处理。

5. 感觉刺激

1. 请注意，早产儿的所有感觉反应均具有较长的（数秒）不应期，且当刺激间间隔较短或感觉皮层存在其他持续的脑电活动时，反应会迅速减弱。因此，应在脑电图已相对静默至少数秒的时刻给予感觉刺激，这在表现为不连续脑电活动^4-6的安静睡眠期间最容易实现。如有可能，使用可自动在脑电图记录中标记（触发）刺激时间点的刺激装置。首先进行触觉刺激，然后进行视觉刺激，最后进行听觉刺激，因为后者可能使婴儿觉醒。
2. 为研究视觉诱发电位，可使用与脑电系统集成的设备给予单次闪光刺激。也可使用任何短暂的光线刺激，例如将手电筒光束扫过婴儿面部。即使从较远距离（如透过透明暖箱壁）也能轻易诱发反应。应在多个枕部和顶叶电极上观察持续至少一秒的反应。
3. 为研究体感诱发电位，可在婴儿手掌或足底施加轻柔的触觉刺激。使用可自动在脑电图记录中标记（触发）刺激时间点的装置将有助于实验。手部刺激后，在对侧中央-颞区（C和T）电极观察反应；足部刺激后，在中线（Cz）电极观察反应。为便于后续分析，每次观察到婴儿自发肢体运动时，应在脑电记录中添加人工标注，因其产生的反应与刺激诱发的反应相似。
4. 为研究听觉反应，可使用强度相对较低的任何声音，例如在婴儿头部附近拍手。应避免使用传统的喇叭刺激，因其高强度声音将同时引起听觉激活和睡眠觉醒，常伴随运动伪迹的产生。

6. 分析

1. 在脑电图记录过程中即开始初步分析。对那些无法从脑电图信号中直接识别的临床事件进行标注（例如护理操作、异常动作或药物使用）。同时记录所有脑电图伪迹（例如吮吸、摇晃或敲击），因为这些伪迹在事后较难识别。此外，应随时在线记录初步分析意见，因为这些即时观察往往包含后续难以察觉的重要信息。确保已记录到清醒睡眠和安静睡眠状态，并且感觉刺激的次数和质量均足够。
2. 新生儿脑电图的正式、全面审阅应在离线状态下于工作站中进行，以便对脑电图发现进行更详细的处理与描述。

7. 代表性结果

图1. 传统脑电图（左侧）与未滤波的全频段脑电图（FbEEG；右侧）记录的比较。注意FbEEG信号中明显的慢波波动［另见参考文献7-9］，而传统脑电图中则缺乏此类波动。详见“讨论”部分。

图2. 增加电极数量所获取信息量的比较。高密度脑电图（右侧）可实现对皮层区域进行独立分析和/或追踪。这种空间信息在传统的8通道（中部）记录中几乎可以忽略，在常见的单通道脑电图监测（左侧）中则完全丢失。请点击此处查看此图的放大版本。

图3. 左图：显示了对双手施加触觉感觉刺激后，在原始脑电图（EEG）轨迹中观察到的单次试验反应示例。右图：早产儿与足月儿体感诱发电位反应的比较（均为C4-Fz导联），展示了早产儿皮层反应的幅度。早产儿的反应来自单次试验轨迹，而足月儿的反应则通过平均叠加获得，因为其在单次试验水平上无法被分辨。在足月儿的轨迹中，箭头所示为N1反应，该反应通常被用作临床诊断的代表性指标。更多细节请参见参考文献4,6,10,11。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

以本视频所示方法记录新生儿脑电图是安全的，因此可在任何婴儿和任何允许进行常规护理操作的条件下实施¹。重症监护室环境对敏感的脑电图设备构成挑战。获得技术质量良好的记录的关键在于正确使用性能良好的高密度阵列脑电图帽，例如本视频中展示的脑电图帽。新生儿重症监护室（NICU）环境具有特殊性，研究对象为病情危重且脆弱的婴儿，需接受复杂的护理和诊断操作。为确保不仅保障患者安全，而且保障您所在NICU未来开展脑电图研究的可行性，必须与NICU的关键联系人密切合作，并与所有参与患者护理的NICU工作人员建立高度信任关系。

近期在人类婴儿^5-7,10和使用幼年大鼠的动物模型^13-15中的研究均强调了脑电图（EEG）中极慢频段的主导地位。这些极慢频率成分可通过FbEEG技术清晰观察到（见图1及参考文献8,9），但在传统脑电图（使用交流耦合放大器）中常被忽略或扭曲，因为交流耦合放大器在信号采集时会永久性地滤除这些低频成分，其作用相当于高通（低频截止）滤波器。要真实记录这些极慢活动，需要采用直流稳定的记录设置，包括直流耦合放大器（参见致谢部分）、Ag/AgCl电极、含氯化物的导电膏¹⁶，以及有效消除表皮电位的措施（具体细节参见参考文献2,3,8，以及http://www.nemo-europe.com/en/educational-tools.php -> 设置EEG硬件 -> 皮肤准备）。值得注意的是，在临床背景下，本研究中使用的帽式电极完全符合FbEEG记录要求，而许多其他临床EEG帽式电极由于电极材料不当（例如锡）¹⁶和/或因切口设计及电极固定装置导致机械稳定性差，因而不适用（具体细节亦可参见参考文献1,8）。

对早产儿早期大脑的充分评估或监测必须建立在深入理解未成熟大脑活动本身的性质和具体特征的基础之上（见上文）。然而，目前的临床实践和文献中在很大程度上缺乏此类方法。为满足这一需求，我们实验室开发了一套针对早产儿的多模态神经生理学评估方案。本文整合了发育神经生物学的最新知识、神经生理学技术的相关进展，以及当前对新型临床研究的迫切需求。因此，我们的工作为双向转化研究（从实验室到临床，再从临床回到实验室）打开了窗口。此外，本方案的清晰展示旨在推动大规模临床相关数据集的采集，包括用于定义尚不明确的“正常”标准的研究。

我们在赫尔辛基大学医院的临床经验表明：i）此类多模态研究已迅速成为临床常规的重要组成部分；ii）它们显著提高了人们对新生儿脑电图研究的兴趣；iii）本文展示的记录技术进展已使这类记录的实施变得与任何有限的传统脑电图一样便捷可行。最重要的是，在婴儿尚无法与外界交流的时期，理解发育中脑功能与脑结构之间的关系，使得评估脑成熟度成为可能¹⁷。在发育早期提供更优的脑部护理，有望永久性地改善早产儿的健康状况和整体生活质量。