第二節　電場和電偶極子

導體兩端的電壓形成 電場（electric field），電場強度與所加電壓的大小成正比，電場強度越大，電子的運動速度越快。流過單位面積的電流大小稱為電流密度，單位為（A/m2），符號為J。位于電場內的電荷根據運動方向形成不同的電場分布，可以用不同的電力線表示。電場中不同的點具有不同的電位，從而形成電位差。EEG所記錄的就是腦表面某一點與另外一點之間微弱的電位差。通過下述幾種電場形式的等電位線分布，有助于我們理解各種形式腦波在頭皮EEG上的分布。但由于大腦是不規則球體，大腦皮質折疊成不規則的腦溝、腦回和腦裂，且某一腦區產生的電場與記錄電極之間的距離和角度不同，因此實際情況要復雜得多，不能用簡單的公式來計算或解釋，頭皮EEG所生成的等電位圖分布也不能作為可靠的定位依據。

點電荷電場的等電位線

以電壓最高點為中心，周邊距離越遠，電阻越大，因而電壓越低，形成類似環形的等電位線，例如局灶性負相棘波在頭皮EEG的分布（圖1-3）。

平行電力線

面積較大且距離很近的兩個平行帶電板之間的電場可以認為是勻強電場，即電場中各處場強的方向相同且大小相似，這種情況類似頭皮EEG記錄的腦回表面的背景電活動，在各部位均相似。

同電荷或異電荷的電力線

圖1-4A顯示2個同相（負相）電荷所構成的電力線，分別在其兩端形成最大的負相電場；這一原理反映在頭皮EEG上，則如圖1-4B所示，一側前、后頭部分別有2個負相電場的等電位線分布圖，此時相對的正相電場位于深部下方，頭皮EEG不能顯示電偶極子特征。圖1-5A和圖1-5B顯示2個異相電荷所構成的電力線，形成一對電偶極子，在EEG的參考導聯上出現顳區和前頭部棘波的“位相倒置”，并在等電位圖上顯示顳區最負而額區最正的電場分布。圖1-4和圖1-5。

電源和 電穴

在電子學上，當電流從某一區域流出時，該點為電源（current sources），相對應的電流流入的區域稱為電穴（current sinks），二者共同構成一對電偶極子（electric dipole）。如果以單個神經元，例如皮質的大錐體細胞為例，當 興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）產生的去極化發生在接近皮質表面的頂樹突時，陽離子從細胞外流向細胞內，此時細胞外成為活動性電源，導致細胞內為正而細胞外為負性電場；而在接近胞體的部位則相反，成為被動性電穴，細胞外形成正相電場；由此形成細胞外電場一端為負而另一端為正的偶極子電場分布。 抑制性突觸后電位（inhibitory postsynaptic potential，IPSP）則引起相反的電場分布。但這種單個神經元的細胞外電場在頭皮EEG上是記錄不到的。

偶極子電場和立體角

如上所述，物理學上將兩個相距很近的等量正負電荷所組成的帶電系統稱為電偶極子，從負電荷（-q）到正電荷（+q）的矢徑（L）稱為電矩（electric moment）。電矩是一個矢量（向量），方向是從負電荷到正電荷。電矩用符號P表示，即得出公式：P=qL（圖1-6A）。

了解電偶極子電場內電矩的電壓，對理解EEG的波形、波幅和極性很有幫助。如圖1-6B所示，若A點（EEG記錄電極位點）距離電偶極子電場中心點（如棘波的起源點）的距離為R，與電矩P（電偶極子的大小和方向）的夾角為θ，則得出公式：U=（Pcosθ）/R2。

從以上公式可以看出，A點（即記錄電極點）所獲得的電壓（U）與幾個因素有關（圖1-6B）：①電偶極子電矩P（相當于任何一個腦波，例如棘波的電場范圍），其電場范圍越大，記錄點所獲得的電壓越大；②偶極子電矩P與A點的夾角θ，即棘波的方向與記錄點的夾角，當該夾角為0°時，記錄點獲得最大負相電壓；夾角為180°時記錄點獲得最大正相電壓，而夾角為90°時記錄點的電壓為零；③A點的電壓與距離的平方（R2）成反比，即記錄點與產生棘波的偶極子電場的距離越遠，所獲得的電壓越低。上述現象稱為 立體角（solid angle）。圖1-7顯示當偶極子電矩的方向不變時，其對不同部位記錄點電壓和位相的影響。圖1-8則顯示偶極子電矩方向的改變對某一記錄點電壓和位相的影響。

皮質腦電活動的電偶極子方向垂直于皮質表面，表面相對于深部為負相電場。由于大腦皮質的腦回和腦溝呈不規則的折疊皺褶，因此不能將其視為簡單的球面形結構。以局部皮質致癇區產生的棘波為例，根據立體角理論，頭皮表面記錄電極與棘波偶極子電矩方向之間的關系可出現多種情況：①棘波產生于腦回的凸面且位于記錄電極下方，棘波的電矩垂直于半球凸面，且負相端指向電極方向（夾角接近于0°），則該電極可記錄到最大振幅的負相棘波（1-9A）。②棘波產生于腦溝深部的側壁，偶極子電矩的向量以較小的角度指向一個與其距離較遠的電極，則該電極可記錄到較低波幅的負相棘波；而在其上方的電極由于與電矩的夾角接近90°。因此雖然距離較近，但記錄不到棘波（1-9B），這是頭皮棘波不能精確定位的原因之一。③棘波產生于腦溝的側壁，偶極子電矩與腦表面平行（電矩與電極夾角接近90°），則其表面的電極均記錄不到放電（圖1-9C）。④棘波產生于深部皮質，其偶極子電矩的負相端指向半球的深部而正相端接近皮質表面，則表面電極記錄到的是正相棘波，且因為位置深、距離遠，所以電位較低，實際上多數記錄不到（圖1-9D）。⑤產生于腦溝或腦裂內的棘波，其偶極子的方向和角度能夠在不同部位的頭皮電極點分別記錄到其負相和正相端的電位（圖1-9E），產生在頭皮EEG上可見的偶極子現象，常見于外側裂起源的棘波。