读数图上的每条脑电图曲线都是选择的结果。该选择决定了页面上电活动的尖峰是反映头皮上的单点，还是反映两点之间的关系。
双极导联记录是做出该选择的两种主要方式之一，要理解其工作原理，需要先回到基础电路逻辑，然后再回到脑电图实验室。该方法历史悠久，几乎在每门临床神经电生理学课程中都有教授，目前仍是构建用于实时捕捉癫痫发作和脑电尖峰的自动检测系统的基石。
什么是脑电图（EEG）的双极导联？
标准的脑电图（EEG）电极捕获的是相对于某个参考点（通常是头皮上较远或取平均值的物理位置）的电压。
而双极导联通道则不同。它记录了两个相邻电极之间的电压差，例如 Fp1 和 F7 电极对，并将该差值显示为单条波形。每个通道背后的计算非常简单：获取电极 A 的瞬时电压，减去电极 B 的瞬时电压，最后绘制出结果。
这种配置直接应用于自动癫痫检测的应用研究中。在 2013 年一项专为多通道脑电图构建的基于生理学的检测系统研究中，Shen 等人并排分析了单极和双极信号，将双极形式作为与单点测量并列的合理且必要的输入。
此外，另一个用于区分局灶性与全面性癫痫的独立分类模型更进一步，将其整个特征集构建在纵向双极导联上——这是一种从头皮前部延伸到后部的特定相邻电极对链。在 Najafi 等人 2022 年的研究中，双极形式并不是众多备选方案中的一个，而是整个模型赖以构建的基石。
双极记录之所以能在数十年的临床实践和现代机器学习流程中持续存在，其核心的实用原因归功于：当两个具有共同干扰源的信号相减时，在数学上会发生什么。这种数学特性正是双极导联真正价值的起点。
电极放置与参考
正确的电极放置对于确保检测到的电活动能够准确代表区域大脑功能至关重要。临床医生和研究人员通常遵守既定方案，以在不同的患者群体中保持对称性和一致性。如下文所述，信号处理涉及特定的配置，以隔离神经信号。
配置类型 | 通道输入 1 | 通道输入 2 |
|---|---|---|
纵向双极 | 额叶电极 | 中央电极 |
横向双极 | 颞叶电极 | 颞叶电极 |
顺序波形 | 活动点 A | 活动点 B |
通过对比相邻的部位，电极能够提供局部波动的清晰视图。这种设置能够防止在其他参考方法中可能发生的信号共模抑制，从而在判读时提供更锐利的局灶性信号尖波。
解读双极脑电图导联
解读所得的数据需要理解整个电极网格中的相位反转和电压梯度。
当在特定的电极接触点产生电位差时，该信号即代表在空间受限的皮质区域内的活动。只要信号产生源与所记录的电极链对齐，就能实现精确的解剖学定位。
顺序相减的物理学原理
任何被两个相邻电极等量接收到的电信号在两者相减时都会消失。这是差分测量的基本逻辑，也解释了为什么传统上双极记录被描述为具有抗噪性。
想象一个不是来自电极正下方大脑，而是来自遥远地方的干扰源：下颌肌肉紧张、附近设备的电火花，或者是电场在头皮上广泛传播的遥远大脑区域。
如果该“远场”信号以大致相同的强度到达两个相邻的电极，则两者相减就会将其抵消。工程师将此称为共模抑制，这是广泛应用于包括但不限于脑电图的脑电图记录设备中的生物电放大器设计的基本原则。
在此需要精确阐明，什么是在此声明的，什么不是。这种消噪属性是信号理论中长期存在、并被广泛接受的推论，在临床神经生理学培训中被作为几乎通用的原则来教授。
将空间电压梯度转化为偏转
一旦排除远场噪声，双极通道中保留的就是对特定内容的测量：即两个电极之间较短距离内电压变化的幅度。这通常被描述为空间梯度，意味着波形反映的是沿电极链方向电场的积分变化率，而不是单个位置的绝对绝对读数。
偏转的方向遵循一个简单的规则。如果一对电极中的第一个电极比第二个电极更正，则波形向一个方向偏转（在大多数临床记录惯例中通常向上）。如果极性反转，波形的方向也随之反转。
偏转的大小也不是任意的。在较短的电极间距内，更陡峭的电压变化会产生更大的偏转，而平缓、逐渐的变化则产生较小的偏转。
这在测量随着时间在皮质移动的电活动时非常有用。当神经元去极化波在某一组织区域传播时，最大电压点也会随之移动。
在跨越该区域的纵向双极电极链中，这产生了一种可预测的、连续的向上和向下偏转模式，这些偏动从一个通道移动到下一个通道，从而有效追踪了电波前在相邻通道间的移动。
相位反转：定位的特征标志
相位反转可以说是双极记录能呈现出的最有用的一种模式。当皮质中局灶性的电活动源正好位于两个相邻双极通道共用的一个电极下方时，就会出现相位反转。
想象三个排成一行的电极，以及由它们组成的两个双极通道：第一个通道连接电极 1 和电极 2，第二个通道连接电极 2 和电极 3。
如果真实的电活动源位于电极 2 下方，那么在同一个瞬间，这两个通道显示出的偏转方向将截然相反。一条波形向上摆动，而另一条向下摆动，即使它们都在对同一个底层事件做出反应。
这种极性相反的模式就是研究人员所称的相位反转，其诊断价值在于它的指向性。这两个反转通道共用的电极（本例中为电极 2）标记了头皮上电压梯度最陡峭的位置，并以此推论，这也是最接近产生异常电活动的底层神经元发生源的位置。
这种机制使受过训练的专业人员无需查看整页的双极波形，不仅可以识别发生了癫癫发作或棘波，而且可以大致判定其在头皮上的起源位置。
临床对这种模式的重视直接体现在自动检测工具的设计中。前面提到的基于生理学的多通道检测系统明确将相位反转以及电位差概念（即在双极记录期间电压在头皮上的分布方式）作为算法分类的核心特征。这一设计选择反映了相位反转在临床神经生理学中作为核心证据的重要地位。
双极导联脑电图的应用
诊断神经系统疾病
当临床医生需要定位异常神经元活动的特定区域时，尤其是在高度怀疑局灶性癫痫的病例中，经常使用双极脑电图导联。通过观察电压的空间分布变化，从业者可以确定异常放电的关键震中。
这种诊断能力对于在临床评估过程中将电活动发现与特定的临床观察密切关联至关重要。
横向双极导联脑电图在癫痫监测中的应用
此技术允许快速识别大脑半球之间的不对称性。当电极交叉连接头皮时，任何偏离既定波形的异常都会立即显现出来。
在需要持续观察以评估癫痫事件的持续时间和性质且不希望受到共享参考点干扰的环境中，这种方法特别有用。
使用脑电图纵向双极导联的研究
研究人员利用这些纵向链来研究脑电活动在主要大脑功能叶之间的传播情况。电极之间的统一间距允许对波随时间的传播进行数学建模。
最近关于意识呼吸如何影响脑电波的研究涉及对这些传播模式的分析，以确定生理状态如何调节皮质兴奋性。为了保持准确的记录，研究期间通常会执行以下步骤：
使用导电膏处理头皮以降低阻抗。
根据标准的 10-20 空间系统放置电极。
对照公认的标准验证每个独立导线的阻抗。
校准记录硬件以确保信号的线性放大。
双极导联的优势与局限性
该方法的主要优势之一是其免受单一参考电极点电位变化的影响，参考电极点变化经常使其他记录技术复杂化。通过专注于相邻电极对之间的差异，研究人员和临床医生可以最大程度地减少将局限性信号错误归因于故障参考点的几率。这创造了一个可预测的基线，提高了对同一患者进行多次记录时结果的可重复性。
相反，当大脑广泛区域产生大规模电位时，就会出现局限性。由于该配置依赖于局部差异，均等影响整个头皮的活动可能会显得减弱或完全被抵消。这可能会掩盖泛化性癫痫样放电，而这些放电可能更好地通过其他不同的电极配置被捕获，从而限制了其在特定诊断场景中的应用。
因此，研究人员和临床医生在为研究选择合适的电极排列时，必须对这些动态保持清醒的认识。虽然在识别局部异常方面非常有效，但在需要进行广泛的临床评估时，应辅以其他方法。保持平衡的视角有望对发现进行三角互证，确保对患者的神经状态做出最准确的评估。
双极导联脑电图的未来
临床观察的发展趋势表明，未来的硬件将更加集成，从而能够实现在不同电极导联配置之间的实时切换。
随着计算能力的增强，将原始数据重新格式化为各种显示模式的能力将为临床环境提供更大的灵活性。这种演变可能会减少电极设置所需的时间，并在活动模式不立即显现的复杂病例中提高诊断率。
电极设计和信号滤波方面的进步也将在降低这些记录的本底噪声方面发挥作用，从而在双极信号显示中提供更高的分辨率。通过缓解技术伪迹，对轻微皮质变化的敏感性可以得到提高。这一发展将协助从业者诊断早期疾病，在这些疾病中，信噪比历来是临床识别的主要挑战。
展望自动分析的未来，算法诊断工具的集成将协助对长期记录进行快速筛查。尽管临床医生在最终判读中仍处于核心地位，但这些工具将提供一个初步筛选，标记双极链内潜在的感兴趣区域。这种协同作用代表了在标准护理环境中提高基于头皮的神经诊断效率和实用价值的下一步。
结论
双极导联仍然是脑电图应用的基石，提供了一种精确界定局部神经元事件的方法，而这些事件否则可能会被遗漏。通过利用相邻头皮位置之间的差异，它提供了一个稳定而可靠的诊断窗口，这对于准确的神经系统评估至关重要。
随着研究和技术的不断创新，此项技术的应用对于我们持续解读复杂脑电活动模式的能力而言依旧至关重要。
参考文献
Shen, C. P., Liu, S. T., Zhou, W. Z., Lin, F. S., Lam, A. Y., Sung, H. Y., Chen, W., Lin, J. W., Chiu, M. J., Pan, M. K., Kao, J. H., Wu, J. M., & Lai, F. (2013). A physiology-based seizure detection system for multichannel EEG. PloS one, 8(6), e65862. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065862
Najafi, T., Jaafar, R., Remli, R., & Wan Zaidi, W. A. (2022). A classification model of EEG signals based on RNN-LSTM for diagnosing focal and generalized epilepsy. Sensors, 22(19), 7269. https://doi.org/10.3390/s22197269
常见问题解答
什么是双极脑电图记录？
双极记录指的是测量两个相邻电极之间的电压差，而不是建立在对单个遥远参考点的基数上。该波形代表将一个电极的电压从另一个电极的电压中进行瞬时相减，捕捉这对电极之间的局部电活动。
双极记录中的相减如何减少噪声？
当两个相邻的电极接收到相同的远场干扰时，一个电极减去另一个电极会取消该共模信号。这种差分测量（称为共模抑制）使双极通道对诸如肌肉紧张或电网杂音之类的远场噪声不那么敏感。
双极脑电图中的空间电压梯度是什么？
空间梯度是电压在头皮上跨越两个电极之间较短距离时的变化率。双极波形反映了这一梯度：陡峭的电压差产生大的偏转，而平缓的差异则产生小的偏转。
什么是相位反转以及它如何定位脑电活动？
当共用同一个中间电极的两个相邻双极通道在同一时刻显示方向相反的电位偏转时，就会发生相位反转。这两个通道共用的那个电极其位置对应于最陡峭的电压梯度，指向有可能是潜在脑电活动产生的源头。
为什么在自动癫痫检测系统中使用双极导联？
双极导联提供了抗噪声的信号，并突出了诸如相位反转和空间梯度等具有临床应用价值的模式。自动化系统可以利用这些特征高精度地对异常脑活动进行分类，这在围绕双极数据构建检测模型的各项研究中得到了证明。
有一项研究是如何利用双极信号来区分局灶性与全面性癫痫的？
该研究使用小波变换对双极通道信号进行了分解，并为循环神经网络提取了基于频率的特征。该模型将记录分类为正常或癫痫，并进一步根据双极导联中的统计规律对局灶性发作和全面性发作进行了区分。
本文呈现的实验证据有哪些主要局限性？
这两项外部独立研究并没有将降噪或定位原理与其他记录方法进行直接的对照测试。他们令人信服的研究结果主要来源于特定的患者群体，因此这些发现并不能直接证明双极导联在所有情况下的优越性，也无法保证在更广泛的其他人群中能获得完全相同的诊断效果。
双极导联与参考导联有何不同？
双极导联记录的是头皮上两个活动电极之间的差异，而参考导联记录的是一个活动电极与单个静态参考点之间的差异。
为什么电极放置在双极脑电图中至关重要？
由于导联计算的是相邻物理位点之间的电压差，一致且标准的电极放置对于确保这些信号在空间上与预期的皮质目标区域准确对应是非常必要的。
双极脑电图能够用于检测弥漫性或全面性脑电活动吗？
它在检测全面性活动方面效果较差，因为如果选定的两个电极位置的信号强度完全相等，该记录计算方法可能会将这些信号相减抵消掉。
在临床实践中会单独使用双极导联吗？
它很少被孤立使用；标准临床实践通常涉及在多种不同的导联配置下审查脑电图数据，以获得整个大脑活动的全面视图。
Emotiv 是一家神经技术领域的领导者，致力于通过易于获取的 EEG 和脑数据工具推动神经科学研究发展。
克里斯蒂安·布尔戈斯
