В данном материале простым языком, понятным для специалистов разного профиля, описано устройство современного комплекса для регистрации, просмотра и анализа электроэнцефалограммы.
История метода ЭЭГ
"Отцом" метода электроэнцефалографии заслуженно считают немецкого психиатра Ганса Бергера, который впервые смог зарегистрировать биоэлектрическую активность головного мозга человека с помощью скальповых электродов и гальванометра. Он смог записать одно отведение ЭЭГ, измеряя разность потенциалов между двумя электродами на голове обследуемого - своего сына.
В 1924 ему удалось зафиксировать при помощи гальванометра на бумаге в виде кривой электрические сигналы от поверхности головы, генерируемые головным мозгом. Именно Ганс Бергер впервые ввел термин "Электроэнцефалография".
Чернильнопишущие ЭЭГ-регистраторы
Исследования Ганса Бергера послужили толчком для развития методики ЭЭГ и уже к середине двадцатого века метод стал широко применяться в клинической практике. В то время ЭЭГ-регистраторы представляли из себя громоздкие аналоговые чернильнопишущие аппараты, которые могли работать только в экранированных камерах. Кривые ЭЭГ выводились на рулонную бумагу механически.
В данном видео подробно описан процесс регистрации ЭЭГ-обследования на чернильнопишущем энцефалографе.
С развитием компьютерной техники, начиная с 1990-х годов начинают появляться первые цифровые аппараты для регистрации ЭЭГ. Они стали компактнее, надежнее, проще в использовании. Такие регистраторы благодаря дополнительным схемотехническим и программным методам помехозащищенности смогли применяться в любых неэкранированных помещениях.
Принципиальное устройство электроэнцефалографа
Со времен Ганса Бергера и чернильнопишущих аппаратов устройство современного электроэнцефалографа довольно серьезно изменилось, и сегодня оно представляет собой следующую схему:
Электрические сигналы, сгенерированные в результате работы головного мозга, регистрируются электродами, расположенными на голове. От ЭЭГ-электродов сигналы поступают по скоммутированным каналам на входы операционных усилителей, затем после многократного усиления эти сигналы оцифровываются блоком АЦП и передаются в компьютер, где фильтруются и выводятся на дисплей. Также в состав комплекса по регистрации ЭЭГ традиционно входит блок стимуляции (фото-, фоно-, паттерн, токовый стимуляторы) и генератор калибровочного сигнала для проверки работоспособности каналов ЭЭГ.
Важно: ЭЭГ-отведение отображает разность потенциалов между двумя точками на голове обследуемого, измеренную во времени (при скальповой записи ЭЭГ).
Электроды ЭЭГ
Какой бы аппарат ЭЭГ не применялся для регистрации, в первую очередь качество записи зависит от применяемых электродов. Даже самый современный электроэнцефалограф не сможет записать качественный сигнал с плохих электродов.
В настоящее время существует много разных видов ЭЭГ-электродов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки: мостиковые, чашечковые, игольчатые, гидрогелевые электроды, электродные системы, активные электроды и т.д.
Даже при использовании качественных ЭЭГ-электродов необходимо их правильно наложить на голову обследуемого, обеспечив хороший электрический контакт с кожей головы (при неинвазивном исследовании). ЭЭГ-электроды должны быть наложены на голову обследуемого в строгом соответствии с международной системой "10-20%".
Важно: при регистрации одного обследования не рекомендуется использовать ЭЭГ-электроды разного типа. Так как между электродами разного типа может возникнуть "гальваническая пара" - разность потенциалов (или поляризация), которая мешает качественной записи ЭЭГ. Постоянное смещение сигнала может вывести его за пределы диапазона амплитуд, которые способен регистрировать ЭЭГ-аппарат.
Подробно все виды электродов и их применение описаны в данном материале.
Международные системы наложения ЭЭГ-электродов "10-20%" и "10-10%"
В данном материале подробно расписан процесс наложения ЭЭГ-электродов по системе "10-20%".
От правильности позиций ЭЭГ-электродов на голове обследуемого зависит правильность интерпретации результатов записи. Особенно важна точность наложения электродов при решении задачи локализации источников патологической активности головного мозга, при топографическом картировании.
Измерение подэлектродного импеданса
При качественном наложении электрода на кожу головы необходимо добиться минимально возможного сопротивления (импеданса) между электродом и кожей. Для этого кожу в местах наложения электродов предварительно обезжиривают, а иногда и обрабатывают абразивной пастой.
Для проверки качества электрического контакта ЭЭГ-электродов с кожей головы все современные электроэнцефалографы имеют функцию измерения подэлектродного импеданса (электрического сопротивления), который измеряется в Ом-ах. Нормальными значениями импеданса для записи рутинной ЭЭГ считается значение сопротивления, не превышающее 25 кОм. При регистрации вызванных потенциалов, например, следует добиваться значений импеданса ниже 5 кОм.
Обычно импеданс измеряется непосредственно перед началом записи, во время наложения ЭЭГ-электродов. Также часто импеданс измеряется после окончания ЭЭГ-записи для контроля ее качества. А при длительных ЭЭГ-обследованиях измерять импеданс необходимо периодически, чтобы своевременно корректировать выявленные отклонения в качестве наложения электродов.
Для того, чтобы своевременно сигнализировать о низком качестве контакта электрода в ходе обследования в современных ЭЭГ-регистраторах заложена функция онлайн-измерения импеданса. При этом непосредственно во время регистрации сигнала ЭЭГ на электроды с высокой частотой подается зондирующий ток для определения сопротивления каждого электрода.
После того, как ЭЭГ-электроды наложены, импеданс измерен и находится в зеленой зоне, можно приступать непосредственно к регистрации ЭЭГ-сигнала.
Монтажи регистрации
Как указывалось выше, ЭЭГ-отведение - это всего лишь разность потенциалов между двумя точками под электродами. Электрод, относительно которого измеряется активный сигнал называют референтным. Отведения, имеющие один общий референтный электрод, называют монополярными. Если же каждое отведение имеет свой собственный референтный электрод, то их называют биполярными. Совокупность всех регистрируемых отведений в обследовании называют монтажом регистрации.
Важно: как правило, все современные компьютерные электроэнцефалографы регистрируют сигналы ЭЭГ в референтном монтаже с возможностью последующего программного пересчета в любые биполярные монтажи.
Поэтому нужно четко отличать аппаратные и программные (расчетные) референтные электроды.
Возможные аппаратные референтные электроды:
- Ref - выделенный референтный электрод. Устанавливается на произвольное место на голове обследуемого, желательно вдоль сагиттальной линии.
- А1 и А2 (М1 и М2) - ушные референтные электроды устанавливаются на мочки ушей или на сосцевидные отростки (мастоид).
- Объединенный ушной электрод (AA) - при таком типе аппаратного референта устанавливается два референтных электрода, но внутри блока регистратора они электрически соединяются.
- CZ - центральный электрод устанавливается на вертекс.
- Выбранный электрод - произвольный электрод монтажа может быть назначен аппаратным референтом.
С помощью математических преобразований внутри компьютерной программы сигналы отведений, записанные от аппаратных референтов могут быть преобразованы к программным референтам.
Возможные программные референтные электроды:
- Усредненный электрод (AV) - При этом программном референте все сигналы от всех электродов усредняются в одну кривую, и этот сигнал используется в качестве референтного.
- Усредненный по левому полушарию (AV1) - при этом преобразовании усредняются все сигналы с электродов левого полушария.
- Усредненный по правому полушарию (AV2) - при этом преобразовании усредняются все сигналы с электродов правого полушария.
- Отведение от источника (Source Derivation (SD)) - Laplacian - это одно из распространенных преобразований, при котором в качестве референтного используется усредненный сигнал с соседних электродов. При таком виде программного референта сигналы, локализованные в некоторой области под несколькими электродами усиливаются, а те сигналы, которые локализованы только под одним электродом - уменьшаются.
При просмотре и анализе ЭЭГ-обследований применяют как монополярные (референтные), так и биполярные монтажи. В рекомендациях РПЛ по проведению рутинной ЭЭГ прописаны типовые монтажи регистрации.
Подробнее о монтажах регистрации ЭЭГ написано в этой статье.
Усилитель ЭЭГ
От электродов по проводам электрический сигнал от каждого ЭЭГ-отведения поступает на усилитель аналогового сигнала.
Важно: для качественной регистрации низкоамплитудных ЭЭГ-сигналов необходимо применять высококачественные медные провода с низким сопротивлением. Для уменьшения артефактов, связанных с движением проводов во время обследования их рекомендуется сплести в косу.
Так как электрическая активность головного мозга на скальпе очень низкоамплитудна, кроме этого, на своем пути к скальповому ЭЭГ-электроду проходит ряд препятствий в виде костей черепа и кожи, на вход усилителя поступает разность потенциалов очень низкой амплитуды, порядка нескольких десятков микровольт. Чтобы этот сигнал передать в компьютер, его необходимо усилить в несколько десятков раз. Как правило, для повышения амплитуды ЭЭГ-сигнала применяется несколько каскадов усиления. Причем это должны быть достаточно качественные усилители с низким уровнем собственных шумов и помех, вносимых в полезный сигнал. У современных ЭЭГ-усилителей уровень собственного шума не превышает 1.5 мкВ от пика до пика.
Важно: обратите внимание, что для регистрации одного ЭЭГ-отведения необходимо наложить три электрода: активный, пассивный и нейтральный (или заземляющий), который необходим для уменьшения синфазной помехи от питающей сети (50-60 Гц). Таким образом, чтобы зарегистрировать, например, 19 ЭЭГ-отведений нам потребуется установить, как минимум, 21 ЭЭГ-электрод: 19 активных, один пассивный или референтный и один заземляющий.
Усиление низкоамплитудного ЭЭГ-сигнала необходимо для того, чтобы передать его на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который не может принимать на входе низкоамплитудный сигнал. АЦП необходим для перевода сигнала из аналоговой формы в цифровую для его последующей передачи и обработки на компьютере.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
Любой компьютерный электроэнцефалограф хранит зарегистрированные данные на жестком диске ПК и отображает их на экране монитора. Современные компьютеры "не умеют" хранить и обрабатывать аналоговые сигналы, поэтому ЭЭГ-сигнал также необходимо перевести в цифровую форму. Эту задачу выполняет АЦП, он переводит сигнал из аналоговой формы в цифровую. Цифровое представление сигнала имеет ряд преимуществ:
- цифровой сигнал не подвержен помехам, его можно передавать на любые расстояния без искажений;
- цифровой сигнал легко может быть представлен в компьютере на дисплее.
Но есть у цифрового представления и свои недостатки и ограничения.
Качество цифрового представления сигнала зависит от параметров блока АЦП, а именно от разрешающей способности и частоты квантования.
Разрешающая способность - это минимальный диапазон измерения амплитуды, количество разрядов (ступенек) при измерении амплитуды сигнала. Например, если у АЦП разрешающая способность составляет всего 8 бит, то амплитуда цифрового сигнала на его выходе будет принимать одно из 256 (2⁸) значений (ступенек). Если при этом нам нужно измерять сигнал в диапазоне от -10 мВ до +10 мВ, то размер такой ступеньки будет равен 78 мкВ. Для оцифровки ЭЭГ-сигнала такой разрешающей способности явно недостаточно. Поэтому первые цифровые ЭЭГ-регистраторы имели очень узкий амплитудный диапазон и при малейшем его превышении уходили в зашкал. При применении более современных 16-ти битных АЦП (65536 ступенек) точность измерения амплитуды того же диапазона уже составить всего 0.3 мкВ, что намного лучше. Самые современные 24-х битные АЦП, применяемые в электроэнцефалографах, позволяют обеспечить одновременно и широкий регистрируемый диапазон амплитуд, и высокую точность оцифровки сигнала.
Частота квантования (дискретизации) - это разрешение по времени, минимальный временной диапазон измерения сигнала. Например, если мы можем измерять некий аналоговый сигнал только 100 раз в секунду (100 Гц), а в сигнале содержатся колебания частотой выше 100 Гц, то мы их просто не увидим на нашей оцифрованной кривой.
Разрешающая способность АЦП определяет гладкость сигнала по амплитуде, а частота квантования - по времени.
Ниже представлены отличия сигнала, записанного с разной частотой квантования:
Сигнал содержит синусоиду частотой 10 Гц. При частоте квантования 100 Гц можно заметить неравномерность пиков синусоиды, обусловленную недостаточной разрешающей способностью по времени. На 200 Гц вершины синусоиды более сглажены, но все-таки неравномерность еще различима. При частоте 500 Гц синусоида 10 Гц выглядит уже гладко и дальнейшее увеличение частоты квантование не приведен к улучшению качества сигнала, но приведет к существенному увеличению его объема при хранении в базе данных обследований на компьютере.
Важно: В соответствии с теоремой Котельникова для отображения любой частоты колебаний в цифровом виде необходима частота квантования как минимум в 2 раза превышающая частоту колебаний.
Таким образом, если на ЭЭГ мы планируем увидеть частоты колебаний сигналов до 75 Гц, то нам необходима, как минимум, частота квантования 150 Гц. Однако, на практике для качественного отображения нужна частота квантования в 4-8 раз превышающая максимальную частоту колебаний измеряемого сигнала. Именно поэтому для качественного отображения ЭЭГ на экране компьютера рекомендуется использовать частоту квантования от 500 Гц и выше.
Технические характеристики электроэнцефалографа
В совокупности технические характеристики усилителя и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) определяют качество ЭЭГ-регистратора.
Вот перечень основных технических характеристик, присущих современным электроэнцефалографам:
- Входной диапазон измерения амплитуды ЭЭГ: +- 350 мкВ. Если регистрируемый сигнал по амплитуде превышает допустимый входной диапазон регистратора, то вместо кривых ЭЭГ на экране компьютера мы увидим зашкал или изолинию. Зашкал может происходить в том числе из-за поляризации электродов, которая появляется в следствие низкого качества электродов или при использовании электродов разного типа. Вопрос: почему же производители ЭЭГ-оборудовании не сделают диапазон больше? Потому, что мы имеем ограничения в виде разрешающей способности АЦП. Увеличив входной диапазон мы снизим точность измерения аналогового сигнала при его оцифровке.
- Частотный диапазон регистрируемого сигнала ЭЭГ: 0-600 Гц. Если регистрируемый сигнал содержит частоты, выходящие за пределы рабочего диапазона, мы их просто не увидим на экране компьютера. Вопрос: почему нельзя сделать регистратор с более широким частотным диапазоном? Ответ: мы снова встречаем ограничения в виде повышения собственных шумов и недостаточности частоты квантования для отображения более высоких частот.
- Разрядность АЦП: 24 бит. Эта характеристика определяет точность измерения аналогового сигнала, степень его огрубления при переводе в цифровую форму.
- Частота квантования: 1000 - 16000 Гц. Напрямую влияет на разрешающую способность регистрируемого сигнала по времени. От частоты квантования зависит качество ЭЭГ-сигнала на экране монитора. Неоправданное увеличение частоты квантования не увеличивает качество отображения сигнала, но существенно увеличивает его объем при хранении.
- Уровень собственных шумов усилителя: 1.4 мкВ от пика до пика. Этот параметр принимает особо важное значение при регистрации низкоамплитудной ЭЭГ, например при ЭЭГ в ПИТ и ОРИТ или при диагностике смерти мозга. Но и при регистрации обычных рутинных ЭЭГ-обследований уровень собственных шумов является важной характеристикой усилителя, влияющей на качество регистрируемого сигнала.
- Возможность онлайн-измерения импеданса. Эта функция особенно важна при проведении длительных ЭЭГ-обследований для контроля качества наложения электродов в ходе обследования.
- Встроенный калибратор для проверки работоспособности каналов ЭЭГ. Перед проведением ЭЭГ-обследования необходимо убедиться в работоспособности ЭЭГ-каналов усилителя и аналогово-цифрового преобразователя. Для этого служит встроенный калибратор, который генерирует синусоидальный или прямоугольный калибровочный сигнал заданной амплитуды.
Аналоговые фильтры
Еще одной важной технической характеристикой электроэнцефалографа можно считать встроенные аналоговые фильтры. Фильтрация сигнала помогает выделить из него полезную информацию, отсеяв шумы и помехи. Выделяют три вида фильтров: фильтр нижних частот, фильтр верхних частот и фильтр подавления синфазной помехи.
- ФВЧ - фильтр верхних частот подавляет низкочастотную составляющую сигнала. Например, ФВЧ частотой 1 Гц будет подавлять медленноволновую активность менее одного колебания в секунду.
- ФНЧ - фильтр нижних частот подавляет высокочастотные колебания из сигнала. Например, ФНЧ частотой 35 Гц будет подавлять все частоты выше 35 Гц.
Совокупность частот ФВЧ и ФНЧ определяют входной частотный диапазон регистрируемого сигнала. Для ЭЭГ-сигнала традиционно этот диапазон считался от 0.5 до 35 Гц, но в новых клинических рекомендациях IFCN от 2018 года этот диапазон расширен, и теперь он от 0.5 до 70 Гц.
CMRR - (Common Mode Rejection Ratio) - степень подавления синфазной помехи. Измеряется в дБ и характеризует способность усилителя бороться с частотой питающей сети 50 Гц (или 60 Гц). У современных усилителей данный показатель может достигать 110-120 дБ. Для подавления синфазной помехи применятся тракт с обратной связью, в котором задействуется заземляющий (общий) электрод GND. Благодаря именно этой схемотехнической возможности современные электроэнцефалографы могут регистрировать ЭЭГ в неэкранированных помещениях.
Кроме аналоговых фильтров, работающих на уровне аппаратуры, при просмотре ЭЭГ-сигнала на экране компьютера применяются и программные (цифровые) фильтры, о которых рассказывается ниже в данном материале.
Современные микропроцессорные схемы для регистрации ЭЭГ
В настоящее время разработаны микропроцессорные схемы для регистрации ЭЭГ, содержащие в своем составе и тракт усиления, и аналогово-цифровой преобразователь. При этом эти микросхемы довольно миниатюрны, что позволило производителям создавать носимые регистраторы ЭЭГ.
Активные электроды
Развитие современной микроэлектроники позволило создать электронные схемы усиления и оцифровки ЭЭГ-согнала настолько миниатюрные, что их удалось поместить в корпус ЭЭГ-электрода. Такой электрод имеет собственное питание и в месте контакта с кожей головы производит преобразование ЭЭГ-сигнала в цифровую форму и долее передает его в компьютер.
Стимуляторы
Кроме регистрации биоэлектрической активности головного мозга современные электроэнцефалографы содержат в своем составе также ряд встроенных стимуляторов, которые необходимы для проведения различных функциональных (нагрузочных, стимуляционных) проб, а также регистрации вызванных потенциалов мозга. В перечень типовых стимуляторов, которыми оснащают современные ЭЭГ-регистраторы, входят:
- Фотостимулятор (типа "Вспышка") - применяется для провокационной пробы во время проведения рутинной ЭЭГ. Стимулятор устанавливается на расстоянии 30 см от глаз обследуемого и генерирует вспышки заданной частоты, длительности и яркости.
- Фоностимулятор (или Аудиостимулятор) - реже, но все-таки применяется в качестве провокационной пробы при ЭЭГ-обследованиях. Более распространенное применение аудиостимулятора - регистрация слуховых вызванных потенциалов.
- Токовый стимулятор - Применяется для регистрации соматосенсорных вызванных потенциалов, также может применяться в качестве болевой активационной пробы при регистрации ЭЭГ в палатах интенсивной терапии у критически больных пациентов для оценки реактивности ЭЭГ.
Кроме встроенных стимуляторов могут применяться и внешние стимуляторы, подключаемые к блоку регистратора с помощью синхровхода и синхровыхода. Усилитель обычно содержит синхровход, а стимулятор - синхровыход. В момент стимула стимулятор посылает сигнал на свой синхровыход, который посредством кабеля поступает на синхровход усилителя. Таким образом работа двух устройств синхронизируется.
В качестве внешнего стимулятора, например, может применяться магнитный стимулятор для проведения методики ЭЭГ-ТМС.
Обычно любые стимуляторы характеризуются диапазоном частот стимуляции и амплитудным диапазоном стимулов. Параметры стимуляторов задаются в программе на компьютере в соответствии с нуждами конкретного обследования и особенностями пациента. В рекомендациях РПЛ по проведению рутинной ЭЭГ прописаны типовые программы стимуляции.
Встроенный генератор калибровочного сигнала
Как правило, все современные ЭЭГ-регистраторы имеют в своем составе встроенный генератор калибровочного сигнала. В ранних моделях такие генераторы обычно выдавали прямоугольный сигнал определенной частоты и амплитуды. Современные регистраторы имеют несколько вариантов формы калибровочного сигнала (прямоугольная, синусоидальная) с возможностью задания частоты и амплитуды.
Запись калибровочного сигнала перед началом проведения ЭЭГ-обследования рекомендована для подтверждения работоспособности всех каналов усилителя. Это особенно важно, когда от результатов проведенного обследования зависит вопрос жизни и смерти, например, при проведении ЭЭГ в ПИТ для диагностики смерти мозга.
Дополнительные каналы
Кроме ЭЭГ-каналов, предназначенных для регистрации биоэлектрической активности головного мозга, современные электроэнцефалографы содержат и дополнительные каналы, например:
- ЭКГ - канал регистрации электрокардиограммы. Синхронная регистрация одного канала ЭКГ рекомендована клиническими рекомендациями экспертного совета Российской противоэпилептической лиги по проведению рутинных ЭЭГ. Обычно ЭКГ во время рутинной ЭЭГ-записи регистрируется с конечностей с помощью электродов типа "прищепка". При длительных обследований может использоваться регистрация со второго стандартного отведения с помощью одноразовых гидрогелевых электродов. Основное назначение ЭКГ-канала при записи ЭЭГ - дифференциация ЭКГ-артефакта на кривых ЭЭГ от реальной островолновой активности. Кроме этого канал ЭКГ используется для контроля частоты сердечных сокращений (ЧСС) во время регистрации обследования и эпизодов пароксизмальной электрической активности головного мозга.
- ЭОГ - канал регистрации электроокулограммы во время ЭЭГ-обследований рекомендован Международной противоэпилептической лигой (ILAE) в клинических рекомендациях "Minimum standards for recording routine and sleep EEG". ЭОГ-канал помогает дифференцировать артефакт от движения глазных яблок и моргания от медленноволновой активности на ЭЭГ.
- ЭМГ- канал регистрации электромиографии служит для регистрации электрической активности мышц. Во время ЭЭГ-обследований может применяться для дифференциации мышечных артефактов движения или напряжения. Часто ЭМГ-сигнал применяется при проведении терапии методом биологической обратной связи (БОС).
- Канал дыхания иногда регистрируется во время ЭЭГ, но чаще во время полисомнографических (ПСГ) обследований для контроля амплитуды и частоты дыхательных движений во время обследования.
- SpO2 - канал регистрации уровня сатурации кислорода в крови иногда используется при длительных ЭЭГ-обследованиях, но чаще при ПСГ-обследованиях.
- Экскурсия грудной клетки и брюшной стенки - регистрируется во время ПСГ-обследований для дифференциации обструктивных и центральных апноэ.
- Каналы постоянного тока (DC - direct current) - предназначены для подключению к ЭЭГ-регистратору сторонних датчиков, выдающих на выходе сигнал в виде разности потенциалов.
Интерфейс связи с компьютером
После того, как сигнал ЭЭГ усилен и оцифрован, его необходимо передать в компьютер для обработки и отображения. Для такой передачи может использоваться любой интерфейс связи:
- USB - простое, высокоскоростное и надежное соединение. Преимущество USB-подключения в том, что по одному кабелю осуществляется и электропитание прибора, и передача данных. Это очень удобно на практике.
Основной недостаток - ограниченная длина кабеля USB. - LAN - подключение по локальной компьютерной сети. Преимущество в том, что длина кабеля не ограничена. Недостаток - необходимость дополнительного питания ЭЭГ-регистратора. Есть решение - использование протокола PoE (Power over Ethernet) для питания блока усилителя по кабелю подключения.
- Optical - оптический кабель связи имеет существенное преимущество в том, что регистратор не имеет электрического контакта с компьютером (снижение помех от электросети), но при этом необходимо дополнительное питание от батарей либо от сети. Кроме этого существенный недостаток такого интерфейса - хрупкость оптоволоконного кабеля и его высокая стоимость.
- Bluetooth - беспроводный интерфейс ближнего действия до 10 м. Преимущество - простота подключения и применения. Недостаток - малый радиус действия, необходимость питания от встроенных батарей или аккумуляторов.
- Wi-Fi - беспроводный интерфейс дальностью действия до 100 м. Преимущества: свобода пациента от кабеля подключения, большой радиус действия. Недостаток - необходимость питания от встроенных батарей или аккумуляторов.
- Собственный проприетарный формат - например, радиоинтерфейс производителя. Может нивелировать перечисленные выше недостатки, но может иметь и собственные ограничения.
Блок современного электроэнцефалографа на примере "Нейрон-Спектр-5":
Блок современного беспроводного регистратора на примере "Нейрон-Спектр-СМ":
Обработка ЭЭГ сигнала в компьютере
После того, как регистрируемые ЭЭГ-сигналы переданы в компьютер, специализированное программное обеспечение занимается их обработкой, отображением на экране и хранением.
Возможности современного ПО по регистрации и анализу ЭЭГ подробно описаны здесь.
Цифровая фильтрация
Кроме аналоговой фильтрации, описанной выше, которая производится на уровне схемотехники ЭЭГ-регистратора, в компьютерной программе также предусмотрены инструменты для дополнительной фильтрации записанного сигнала. Фильтрация необходима для очистки записи от шумов, борьбы с артефактами. В программе на компьютере применяется цифровая фильтрация, так как сигнал в компьютер поступает уже в оцифрованном виде.
В соответствии с Рекомендациями экспертного совета по нейрофизиологии Российской противоэпилептической лиги по проведению рутинной ЭЭГ сигнал ЭЭГ должен быть отфильтрован в полосе от 0.5 до 70 Гц. Именно в этой полосе частот лежит основной полезный сигнал. Для фильтрации применяются цифровые фильтры:
- Фильтр верхних частот (ФВЧ) - помогает отфильтровать паразитные медленноволновые колебания, справиться с постоянной составляющей на ЭЭГ. Иногда для анализа сверхмедленной ЭЭГ-активности данный фильтр отключают или устанавливают в значения близкие к 0 Гц. Диапазон установки ФВЧ от 0.01 до 10 Гц.
- Фильтр нижних частот (ФНЧ) - помогает отфильтровать быстрые частоты, которые не нужно видеть на ЭЭГ. Раньше этот фильтр традиционно устанавливался в значение 35 Гц, но в современных рекомендациях прописано значение 70 Гц. Это связано с тем, что ФНЧ на 35 Гц может существенно снижать амплитуду спайков и острых волн, частота которых может превышать 35 Гц. При желании просмотреть и проанализировать более высокие частоты этот фильтр можно отключить или установить более высокие значения. Диапазон установки ФНЧ от 15 до 500 Гц.
- Режекторный фильтр - предназначен для подавления синфазной помехи от питающей сети (50 или 60 Гц в зависимости от страны). Обычно применяется рекурсивный фильтр, но его недостаток состоит в том, что он просто напросто вырезает частоты около 50 Гц из сигнала, и если в этой частотной области будет находиться полезный сигнал (например, спайки и острые волны), то он тоже подвергнется режекции. В современных компьютерных программах помимо рекурсивного применяется так называемый адаптивный режекторный фильтр, который вырезает из сигнала только чистую синусоиду 50 Гц, не повреждая полезный сигнал.
- Полосовой фильтр - такие фильтры могут применяться дополнительно для того, чтобы дополнительно отфильтровать сигнал в заданной полосе частот. Например, с помощью такого фильтра можно отфильтровать только альфа-диапазон от 8 до 14 Гц.
Современные компьютерные программы по обработке ЭЭГ, как правило, позволяют хранить ЭЭГ-сигнал в нефильтрованном виде, применяя фильтрацию только во время вывода ЭЭГ-кривых на экран компьютера. Это позволяет изменять фильтры в любой момент регистрации или просмотра обследования.
Важно: фильтрация ЭЭГ-сигнала полезна для удаления шумов и помех, но следует помнить, что любая фильтрация вносит искажения в исходный сигнал. Например, цифровые фильтры могут иметь транспортную задержку. Эти особенности нужно учитывать при анализе записанных данных.
Сглаживание кривых на экране дисплея
На экране компьютера изображение формируется с помощью пикселей. При этом кривые ЭЭГ-сигналов на экране имеют ступенчатую форму. Это особенно заметно при низком разрешении дисплея. В современных программах для просмотра и анализа ЭЭГ применяют различные аппаратные и программные методы сглаживания, которые позволяют просматривать ЭЭГ-кривые в хорошем качестве.
Просмотр и анализ ЭЭГ
Подробно инструменты для просмотра и анализа записанной ЭЭГ описаны здесь.
Математическая обработка ЭЭГ на компьютере, начиная от цифровой фильтрации и заканчивая анализом независимых компонентов, описана в данной статье.
Подготовка заключения ЭЭГ-обследования
Как правило, любое ЭЭГ-обследование завершается написанием заключения специалиста. Современное ПО имеет встроенные функции автоматической генерации заключений ЭЭГ-обследований по заранее сформированному шаблону. В данной статье детально описан процесс формирования заключений ЭЭГ-обследований.
Заключение
Итак, мы рассмотрели устройство современного электроэнцефалографа, начиная от электродов и трактов усиления аналогового сигнала до его оцифровки, передачи в компьютер, обработки и формирования заключения ЭЭГ-обследования.
Полезные материалы
- Иванов А.А. Устройство современного электроэнцефалографа. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2022;14(4):362-378.
- Математический анализ ЭЭГ.
