如何提高听觉诱发反应的信噪比

　　如何提高听觉诱发反应的信噪比

　　信号通常指传输的感兴趣的成分。噪声则常认为是任何不需要的信号成分。听觉诱发反应中，所有同反应无关的信号都是噪声，某些特殊的噪声称为“伪迹”。信噪比（signal-to-noise，SNR)定义为信号的强度同噪声强度的比值，用于比较信号强度同噪声强度。在回答如何提高听觉诱发反应的信噪比这一问题之前，我们先来看一看，听觉诱发反应中有哪些噪声？

　　1脑电和肌电

　　脑电（electroencephalogram(EEG)），对一个正常的大脑，有或无外界刺激时，都会出现，频率范围在1-30Hz，振幅在20-200uv。肌肉在静息或收缩时，都有电活动。一般来说，在记录听觉诱发反应时，肌电活动都是干扰，需要尽量避免。例如：眨眼、耳后肌肉的收缩。肌电的频率高达数千Hz，振幅可在数十-几千uv。

　　2公用电的干扰

　　在我国家用电的频率是50Hz，在欧美是60Hz。电极甚至是未屏蔽的电极连接头或是病人同放大器之间的电极电缆可拾取50Hz、60Hz或50Hz、60Hz谐波（谐波，从严格的意义上讲，电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量。例如：若基波的频率是50Hz，其谐波的频率可以是100Hz，150Hz、200Hz）的干扰。

　　3测试用的换能器

　　用于临床听力学记录听觉诱发反应的耳机有TDH39和ER-3A。TDH-39是一个低阻抗的动圈耳机。在高声强时，TDH-39可以产生电磁场，导致刺激伪迹。插入式耳机换能器的盒子和记录电极相隔一定的距离，可以更好的减少刺激的伪迹。

　　那么听觉诱发反应的记录中，有哪些技术可以提高信噪比呢？

　　1放大

　　听觉诱发反应的振幅相对于脑电振幅要小得多，正常脑电的振幅可以是听觉诱发反应最大振幅的100倍。电极置于头颅的任何位置，理论上，任一位置记录到的脑电都是一样的，但是因距离听觉诱发反应产生部位的不同，头颅的不同位置记录到的听觉诱发反应振幅、相位有差异。听觉诱发反应的记录中，电极（active、reference、common）拾取的信号和噪声，输入到前置放大器（通常是差分放大器），经过放大器处理后，参考电极（reference）记录到的波形的相位发生反相，而记录电极（active）记录到的波形的相位并不反相。结合差分放大器的共模抑制（可参考6月29日微信《听觉诱发反应记录中的基本概念》一文），噪声信号得以减小或消除，所需的信号得以放大。

　　但是仅仅依靠差分放大器的作用，并不能完全的消除噪声的影响。首先，记录电极和参考电极两个输入端采集到的噪声的振幅、相位等不一定是一模一样的；其次，听觉诱发反应记录的是记录电极和参考电极两个点的电势差，有可能相对于噪声的振幅，电势差仍很小。因此听觉诱发反应记录时，把电极放置于生物电极性相反的位点或是信号产生的神经解剖偶极子（下一期，将对偶极子详细解析）相对应的平面时，动作电极和参考电极两个输入端记录的电势差是最大的。

　　2滤波

　　以上谈到的噪声，脑电、肌电、公用电等都有各自的频率范围。有的噪声的频率在我们感兴趣的听觉诱发反应的频率范围内，有的有重叠。通过设置滤波，将同听觉诱发反应无关的噪声在进行平均之前除掉。滤波包括高通、低通和带通、带阻。低通滤波允许信号中的低频信号通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。高通滤波则是高于设定临界值的高频信号可以通过。如果设有低通截止频率，还设有高通截止频率，则只有这个频段范围内的信号通过，称为带通滤波。例如：脑电波的频率高达30Hz，肌电的频率可高达3000Hz，人听性脑干诱发电位的频率约在100-1000Hz(KevanishviliZ,AphonchenkoV.1979)，因此我们常设置带通滤波的低通截止频率为3000Hz、高通截止频率在30Hz的，希望尽可能降低脑电和肌电的干扰，保留所感兴趣的反应信号。

　　陷波滤波（notchfilter）也是一种带通滤波，可以在某一个频率点迅速衰减输入信号，以达到阻碍此频率信号通过的滤波效果，常用于把公用电的干扰去除。例如：大多数听觉诱发电位的记录系统在参数设置一项都有：notchfilter，即是用于降低公用电的干扰。但是对于是否在听觉诱发反应的记录中使用notchfilter，仍存在一些争议。陷波滤波最大的问题是陡峻的陷波滤过可引起反应相位和潜伏期的改变，对于记录皮层诱发反应时，使用陷波滤过有可能会除掉部分皮层听觉诱发反应的能量，影响记录的准确性和有效性。

　　3信号的平均技术

　　信号分为模拟和数字两种。模拟信号指的是在时间上连续的(不间断)，数值幅度大小也是连续不间断变化的信号，例如：脑电波。数字信号则是在时间上不连续的信号。如果对模拟信号进行抽样、量化、编码可转化为数字信号，对模拟信号进行数字传输，进行分析。例如：一天24小时的气温是一个模拟信号，如果每一整点对气温进行采样。每一整点的气温在24小时是离散的数字信号，实现了模拟信号转变为数字信号。如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能准确的确定原信号。那么，多少次的抽样是合适的呢？依据Nyquist抽样定律，当抽样频率大于或等于信号频谱的最高频率的两倍时，抽样后的信号就包含原连续信号的全部信息，而不会有信息丢失，当需要时，可以根据这些抽样信号的样本来还原原来的连续信号。听觉诱发反应记录时，给出刺激后的信号分析时间窗是有限的时间，采集到的信号是模拟信号，例如：click声诱发的ABR的分析时间窗（epoch）是10ms，滤波设为30-3000Hz，则抽样率至少是6000次/s，10ms的分析时间窗内有600个采样点。对于特定时间内的采样点的数目同计算机的分辨率以及同得到的反应波的数目也有关。

　　理论上，噪声是随机出现的，而信号总是在刺激后经过一定的潜伏期才出现的，是同外界的刺激锁时的。则同样的刺激，不同时的刺激，在某些刺激以后，在特定的采样时间点，噪声的电压是正向的；在另一些刺激以后，同样的时间采样，噪声的电压是负向的，将多次刺激的结果进行叠加，则经过叠加，那些随机的噪声被减弱或完全抵消了；但是，对于听觉诱发反应的信号，总是在特定的潜伏期出现，相位一致，经过多次刺激以后，反应信号经过叠加，反应的振幅增加了，信噪比就提高了。

　　信噪比同刺激重复率（stimuluspresentations，stimulusrepetitionsandsweep是同义词）的平方根成正比。刺激重复率从0增加到1000，可提高SNR32倍。当刺激重复率从2000增加到3000，仅使信噪比从45倍提高到55倍，其对SNR的影响减弱。因此当刺激重复率超过2000以后，增加刺激重复率，提高信噪比获益减小。

　　在此，一定要强调指出的是，听觉诱发反应的记录不仅仅用到了信号平均技术。随着科学技术的发展，其它的信号处理技术应运而生，也在听觉诱发反应的记录中有体现。例如：Fsp、优化点变异率（point－optimizedvarianceration(POVR))、最大长度序列（maximumlengthsequences(MLS)）。限于篇幅关系，在此，不一一详述。

　　前述了听觉诱发反应的过程中，提高信噪比的技术手段，有些依赖于仪器设备本身的硬件设备。临床实践工作中，我们会发现在相同的记录条件下，有些设备的记录反应波形分化好、有些则差强人意，则可能同仪器设备本身相关。例如：前置放大器的优劣。我们还会发现同一套设备，不同的测试环境、受试者反应波形的质量不尽相同，则说明还有一些其它的因素影响信噪比。最重要的因素就是噪声太大。临床实践操作中，理想的记录条件下，例如记录ABR时，即使500次的叠加，也可以得到可信的ABR反应波。噪声的振幅是决定信号平均的质量以及最少的叠加次数的关键因素。降低背景噪声的整体振幅是提高SNR最有效的办法。限制噪声是比增加平均次数更有效和准确的记录方法。

　　在日常听觉诱发反应的记录中，我们可以

　　1.优化记录环境。例如：将记录电极、前置放大器、受试者置于专业的电磁屏蔽室中，设备主机、电脑、测试者置于电磁屏蔽室外间。医用电路同日常照明等非医用电路分开，医用电路接地线。

　　2.提供给受试者放松的、舒适的环境。例如：ABR测试时，房间的灯不要太亮，灯泡不要直接照在病人脸部，给受试者提供一张足够宽敞的床。试想：一个受试者身宽50cm，身高175cm，睡在一个40cm宽的床上，若没有像小龙女样非凡的卧绳功夫，想放松是不可能的事情。