Лекция4 Диагностические приборы и системы для исследованная биоэлектрической активности организма. Электроэнцефалографы.
Одним из основных способов изучения работы мозга и нервной системы является регистрация и анализ изменений биопотенциалов, снимаемых с электродов, размещённых на голове пациента. Технические средства для электроэнцефалографии (ЭЭГ) отличаются тем, что они позволяют регистрировать сигналы приблизительно на два порядка меньше, чем у технических средств для ЭКГ, и используют существенно большее количество электродов, с помощью которых осуществляются отведения.
Электрическая активность мозга проявляется в нескольких ритмах:
- α-ритм имеет частоту 8…13 Гц и амплитуду 50…100мкВ;
- β-ритм имеет частоту 24…40 Гц и амплитуду 5…50 мкВ;
- θ-ритм имеет частоту 3…7 Гц и амплитуду 140…250 мкВ;
- δ-ритм имеет частоту 0,5…3 Гц и амплитуду 140…300 мкВ;
- γ-ритм имеет частоту 40…100 Гц и амплитуду 5…50 мкВ.
Кроме перечисленных ритмов в сигнале ЭЭГ присутствуют медленные колебания, близкие по форме к синусоиде с периодом 7…8с при амплитуде 0,3…8 мВ, а также с периодом 0,5…2 мин и амплитудой 0,5…1,5 мВ. Отмечено, что эти потенциалы претерпевают значительные изменения при погружении человека в состояние гипноза. Регистрируются также так называемые спайки. Это резкий всплеск напряжения остроконечной формы длительностью 5…50 мс с амплитудой до сотен и тысяч микровольт.
Таким образом, предварительные усилители ЭЭГ-сигналов должны обеспечивать работу с сигналами, амплитуда которых колеблется в пределах 5…300 мкВ и при наличии спайков – до 1000 мкВ и выше. Частота регистрируемых сигналов лежит в пределах 0,1…100 Гц. По сравнению с электрокардиографией амплитуда ЭЭГ-сигналов меньше, а сопротивление электродов больше. Поэтому предварительные усилители электрокардиографов должны обеспечивать большие коэффициенты подавления синфазных помех и иметь большие входные сопротивления, чем усилители электрокардиосигналов.
В настоящий момент промышленностью (как отечественной, так и зарубежной) выпускается широкая номенклатура электроэнцефалографов – реализуемых без применения, с применением микропроцессорной техники, использующих в своём составе персональные компьютеры. В типовом варианте реализации предварительные усилители электроэнцефалографов подключаются к электродам по одной из трёх схем:
При однополюсном (униполярном) отведении регистрируются изменения потенциалов относительно общей (опорной) точки. В качестве неё часто используют соединённые между собой электроды, расположенные на ушной раковине (а). В других случаях опорную точку создают, соединяя между собой все электроды через одинаковые резисторы (б). При биполярном методе отведений регистрируется разность потенциалов между парами точек отведения (в). Такое отведение позволяет наиболее точно локализовать отдельные вспышки электрической активности мозга.
В простейшем варианте исполнения структура автономного электроэнцефалографа напоминает структуру автономного электрокардиографа и содержит электродную систему, коммутатор, калибратор, усилители биопотенциалов, регистраторы и лентопротяжный механизм. Основное отличие – более сложные схемы усилителей биопотенциалов, что связано с необходимостью усиления сигналов малой амплитуды при достаточно высоком уровне помех.
Рассмотрим структуру шестнадцатиканального электрокардиографа, выполненного без использования микропроцессоров (ЭЭГУ16-02). Электроды (ушные, дисковые и игольчатые) с помощью кабеля и шнуров отведений через контактные гнёзда стойки для подключения электродов (СПЭ) подключаются к пульту входной коммутации (ПВК), который с помощью системы переключателей позволяет подключать ко входам усилителей биопотенциалов (УБП) контактные гнёзда СПЖ по выбранным программам коммутации (монтажам).
Кроме того, с помощью ПВК ко входам УБП подключается постоянное эталонное напряжение с калибратора и омметра (КиО) в режиме калибровки. В калибраторе предусмотрена возможность проверки коэффициента режекции усилителя путём подачи на входы каналов усилителя синфазных сигналов, амплитуда которых в тысячу раз превышает напряжение калибровки. С помощью омметра блока КиО определяются величины сопротивлений между парами электродов и землёй. Также омметр регистрирует нарушение контактов электродов с кожным покровом головы пациента. Усиленные сигналы после шестнадцати УБП подводятся к шестнадцати перьевым чернильным гальванометрам (БПГ), обеспечивающим регистрацию ЭЭГ на бумажном носителе, протягиваемом лентопротяжным механизмом (ЛПМ). Регулировка положения нулевой линии для каждого перьевого гальванометра производится балансировкой усилителя мощности УБП.
Если к электроэнцефалографу подключается фотофоностимулятор (ФФС), то отметчик раздражений блока перьевых гальванометров регистрирует сигнал световой или звуковой стимуляции. Кроме того, БПГ может воспроизводить отметки времени от генератора отметок времени (ГОВ), выполненном на мультивибраторе с усилителем мощности.
Большинство современных систем для электроэнцефалографических исследований представляют собой компьютерные комплексы, решающие следующие основные задачи:
- анализ фоновой активности (ЭЭГ рассматривается как сумма непрерывных процессов);
- количественная оценка специфических паттернов (острых волн, комплексов пик-волна, К-веретён и т. д.);
- оценка вызванной активности.
К методам оценки фоновой активности в первую очередь относят: частотный (спектральный анализ) ЭЭГ, корреляционный анализ, периодометрические методы.
Частотный анализ ЭЭГ может выполняться с помощью набора фильтров или с использованием спектрального анализа. Фильтрация производится с помощью полосовых фильтров, полосы пропускания которых соответствуют физиологическим ритмам. Это позволяет оценивать степень выраженности различных ритмов в анализируемой ЭЭГ, а также изменение их во времени и при различных воздействиях.
Спектральный анализ с использование преобразования Фурье позволяет получать энергетический спектр, отражающий распределение мощности по частотам, и взаимный комплексный спектр, позволяющий судить о связи двух процессов и их фазовых соотношений. При анализе спектров мощности сигнала чаще всего используют параметры: среднюю мощность спектра, учитывающую вес всех частотных составляющих ЭЭГ, эффективную полосу частот, характеризующую величину размытости спектра относительно средней частоты, среднюю мощность. Для оценки выраженности отдельных частотных компонентов ЭЭГ вычисляют отношение амплитуды каждого пика, выделенного в спектре, к средней мощности. Это даёт возможность количественно оценивать соотношение данного ритма с другими частотными составляющими ЭЭГ, а также сопоставлять степень выраженности анализируемой частоты в разных отделах мозга.
При корреляционном анализе фоновой активности исследуют как автокорреляционную, так и корреляционную функции. Построение и анализ автокорреляционной функции является мощным средством выделения гармонических колебаний в квазипериодическом процессе, к которому может быть отнесён ЭЭГ-сигнал. Вычисление корреляционной функции двух ЭЭГ-сигналов позволяет оценивать степень связи биолектрических процессов в разных точках головного мозга, временные сдвиги зависимости между процессами и выделять общие периодические составляющие.
Периодометрические методы более просты и позволяют организовать обработку ЭЭГ в реальном масштабе времени. К ним относятся, прежде всего, методы, основанные на представлении каждого анализируемого сигнала в виде элементарных колебаний, характеризуемых определённой длительностью и амплитудой. Выделение этих волн производится разными способами – по пересечению нулевой линии, по локальным экстремумам, по последовательности локальных экстремумов, и дополнительным ограничениям, связанным с их относительной амплитудой и местоположением. В результате использования различных алгоритмов сегментирования кривой ЭЭГ определяются: средняя частота, средняя амплитуда, относительный временной индекс выделенного ритма, а также соотношение медленных и быстрых компонентов ЭЭГ.
Особое значение для клинических исследований имеет распознавание и анализ функционально значимых паттернов, например, в случае контроля появления эпилептических спайков острых волн одновременно по всем каналам обработки ЭЭГ. Задача автоматического распознавания паттернов решается разными способами:
- на основе анализа параметров, выделяемых полуволн ЭЭГ;
- с использованием оптимальной фильтрации сигнала;
- методами обратной фильтрации;
Рассмотрим структуру компьютерного электроэнцефалогрофа.
В подобных системах обеспечивается съём и хранения информации на жёстком диске персонального компьютера (ПК), обработку, отображение на экране монитора ПК и вывод на печатающее устройство энцефалографических сигналов. Комплекс состоит из преобразователя биосигналов (ПБС) и персонального компьютера.
Электроэнцефалограммы регистрируются с помощью девятнадцати основных каналов (каналы ЭЭГ). Электроэнцефалографические сигналы отводятся с помощью электродов электродной системы (ЭС) и поступают на входы многоканального усилителя напряжений (МУН). В усилителе напряжений электрические сигналы проходят усиление до уровня, согласованного с диапазоном АЦП, и аналоговую фильтрацию (для этого используются ФВЧ и ВНЧ первого порядка).
Усиленные сигналы сворачиваются в один сигнал при помощи коммутатора напряжений (К). Полученный сигнал подаётся на вход АЦП, который преобразует его в цифровую форму, последовательно для каждого из каналов. АЦП осуществляет преобразование сигнала в 12-разрядный или 14-разрядный цифровой код. Синхронизацию работы коммутатора, АЦП, управление фотостимулятором (ФС) и обмен данными с компьютером осуществляет микроконтроллер (МК). В компьютер данные передаются по стандартному последовательному интерфейсу типа RS-232С через гальваническую развязку (ГР) и преобразователь уровней (ПУ), обеспечивающий согласование уровней гальванической развязки (+5В) и последовательного интерфейса (+/- 12В). Гальваническая развязка выполняет роль усиленной изоляции (УИ) и выдерживает напряжение не менее 4кВ.
Питание ПБС осуществляется от гальванических элементов (внутреннего источника питания). Необходимые для работы устройства напряжения вырабатывает источник питания, который включается по команде программы, а затем поддерживается во включённом состоянии посылкой специальных команд.
Программное обеспечение комплекса обеспечивает: формирование массивов значений поступающих сигналов; их первичную цифровую фильтрацию; отображение ЭЭГ в реальном времени на экране ПК в виде кривых (режим запоминающего осциллографа); сохранение введённых данных на жёстком диске компьютера и их последующую обработку.
Программное обеспечение позволяет производить:
- ввод электроэнцефалограмм и электрокардиограмм;
- цифровую фильтрацию введённых сигналов с помощью цифровых фильтров – ФНЧ, ФВЧ, режекторных и полосовых.
- запись введённых значений сигналов на жёстких диск ПК;
- ведение электронного архива пациентов;
- отображение любого записанного участка на экране монитора и распечатку на принтере;
- отображение всех записанных каналов, любого одного или нескольких из них;
- переключение монтажей ЭЭГ во время ввода и обработки;
- изменять масштабы отображения по вертикали и горизонтали;
- использование двух независимых маркеров для измерения, выделения участка записи, обработки или удаления;
- измерение амплитудных и временных характеристик записанных сигналов и выводить результаты измерений на экран монитора и принтер;
- производить спектральный анализ ЭЭГ, амплитудное и частотное цветовое топографическое картирование;
- изменение масштаба просмотра по вертикали и горизонтали.