脑电时域分析系列之Normal Asleep脑电波形时域分析

 

 

脑电图（Electroencephalogram, EEG）是研究睡眠生理和病理的核心工具。通过对睡眠期间脑电信号的时域分析，可以识别不同睡眠阶段的特征波形，为临床诊断睡眠障碍（如失眠、睡眠呼吸暂停）提供依据。本文基于正常睡眠的EEG表现，详细探讨各睡眠阶段的时域波形特征及其生理意义。

 

HUIYING

正常睡眠的分期与生理基础

脑电电极的分类方式多样，包括按导电介质、信号放大方式、放置位置及应用场景等。其中，按导电介质分类是最核心的维度，直接决定电极的物理特性和适用场景。

 

周期规律：

每90-120分钟循环一次，NREM与REM交替出现。

 

 

前半夜N3期占比高，后半夜REM期延长 。

 

 

睡眠阶段与波形示意图

 

NREM睡眠 

N1期（浅睡期）：占睡眠总时间5%，以低振幅混合频率波为主，包括θ波（4-7 Hz）和少量α波（8-12 Hz）。  

 

 

N2期：占比50%，特征为“睡眠纺锤波”（12-16 Hz的短暂爆发波）和“K复合波”（高振幅负向波后跟随正向波）。  

 

 

N3期（深睡期）：以高振幅δ波（0.5-4 Hz）为主，占比20%-25%，是恢复性睡眠的关键阶段。前期睡眠阶段的特征都可能出现，但通常不太规律，甚至会消失，药物会减少该阶段睡眠时长。

 

 

 

REM睡眠  

 

 

以快速眼动、肌张力消失和低振幅混合频率波为特征，脑电活动近似清醒状态，β波（16-31 Hz）和θ波交替出现，常伴随锯齿波。夜间出现频率增加，脑电图表现为幅度弥漫性衰减，背景频率范围与清醒状态相似。其名称源于快速眼动，在脑电图上表现为左右额叶区域轮廓分明、方向相反的波形。此阶段还可能出现轻微心脏不规则和呼吸波动，肌肉活动消失。

 

 

 

睡眠阶段的动态平衡

 

 

年龄影响：儿童N3期占比高（深睡需求大），老年人REM和N3期减少。

 

 

药物干扰：苯二氮䓬类药物抑制N3期和REM期，导致睡眠结构碎片化。

 

 

睡眠阶段分布随年龄变化

 

 

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各睡眠阶段的脑电波形时域特征

N1期：θ波主导的过渡阶段 

 

 

时域表现：  

 

 

波形振幅：20-50 μV，较清醒期α波降低。 

 

 

频率分布：θ波（4-7 Hz）占比超过50%，偶见α波残余，以及出现枕部正相尖波睡眠瞬变（POSTS）和顶波。  

 

 

生理意义：标志睡眠开始，处于从昏昏欲睡到完全入睡的范围，对外界刺激仍敏感，易被唤醒。

 

 

POSTS

 

 

顶点波

 

 

 

N2期：纺锤波与K复合波  

 

 

时域表现： 

 

 

睡眠纺锤波：持续0.5-1.5秒，振幅10-15 μV，频率12-14 Hz，呈“纺锤形”包络。  

 

 

K复合波：高振幅（>100 μV）对称波形，负-正双相波，持续≥0.5秒。  

 

 

生理意义：纺锤波与丘脑-皮层回路抑制相关，K复合波反映大脑对微弱刺激的阻断机制。

 

 

K复合波及纺锤波

 

 

 

N3期：δ波与同步化活动  

 

 

时域表现：  

 

 

δ波：振幅>75 μV，频率0.5-2 Hz，占一帧EEG的20%以上。

 

 

波形同步性：全脑广泛同步，反映皮层神经元高度一致性放电。 

 

 

生理意义：促进生长激素分泌、记忆巩固及体力恢复。

 

 

N3期高振幅δ波

 

 

 

REM睡眠：去同步化与锯齿波  

 

 

时域表现：  

 

 

低振幅混合波：以θ波（4-7 Hz）和β波（16-31 Hz）为主，近似清醒闭眼状态（图5A）。 

 

 

锯齿波：2-6 Hz的三角形波群，常出现在REM期后半段（图5B）。 

 

 

生理意义：REM期与梦境相关，去同步化脑电反映皮层活跃性增强。

 

 

REM期波形特征

 

 

 

 

 

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临床应用与异常波形识别

睡眠障碍诊断  

 

 

失眠：N3期缩短，δ波振幅降低。 

 

 

阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）：频繁微觉醒导致睡眠碎片化，纺锤波减少。

 

 

神经退行性疾病  

 

 

阿尔茨海默病：REM期缩短，θ波功率下降。 

 

 

正常认知老年人群与阿尔茨海默症群体脑电波图

 

 

 

 

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回映产品:可穿戴闭环睡眠设备

个性化可穿戴闭环睡眠设备首先对EEG 脑电信号进行实时采集,并对EEG 进行PSD 功率图谱转换获取到脑电进行实时采集,并对EE进行PSD功率图转换获取到脑电节律Theta 波(4-8Hz) 以及Alpha 波(8-13Hz) 最高功率所对应的频率,然后基于此频率作为个性化tACS 经颅交流电刺激的刺激频率进行恒流源输出，进而实现个性化闭环睡眠治疗｡

 

 

 

适应症：睡眠障碍

 

 

 

采集系统

参数

 

采样率：最高 16KHZ；

 

 

共模抑制比：≥ 100dB；

 

 

噪声：≤ 5uV；

 

 

输入阻抗：≥ 1000MΩ；

 

 

脑电 EEG：单通道，2~100uV

 

 

 

刺激系统

参数

 

刺激模式：tDCS/tACS/tPCS/tRNS 四种模式灵活可调，tDCS 经颅直流电刺激，tACS 经颅交流电刺激，tPCS 经颅脉冲电刺激，tRNS 经颅白噪声电刺激；

 

 

刺激强度：-2mA~2mA 连续可调，调节分辨率 0.01mA，输出电流误差 <=±10%；

 

 

刺激时间：0~60min 可调； 

 

 

刺激频率：针对于 tPCS/tACS 模式，1Hz ～ 99Hz 范围内可调，频率步进为 1Hz，

 

 

输出频率误差 <=±5%；

 

 

淡入淡出时间：0~120s 可调，确保刺激的安全性；

 

 

脱落检测：通过实时阻抗检测分析电极脱落状态确保刺激有效性。