ЭЭГ – наиболее распространенный функциональный метод для выявления эпилепсии. Цель данного обзора – суммировать все важные аспекты, связанные с биофизическим феноменом возникновения ЭЭГ, и технические особенности, необходимые для правильного чтения и интерпретации ЭЭГ. В нем описаны электроды и схемы их наложения, усилители, фильтры, цифро-аналоговое преобразование и сигналы на дисплее. Представлены преимущества и недостатки различных монтажей, особенности различных ЭЭГ записей и провокационные пробы. Объясняется, как использовать топографические карты для оценки источника генерации сигнала в коре.
Электроэнцефалография (ЭЭГ) является наиболее часто используемым методом при обследовании пациентов с подозрением на эпилепсию и с наличием приступов. Диагностическое значение аномальной ЭЭГ хорошо изучено. В умелых руках ЭЭГ дает уникальную и жизненно важную информацию о пациентах (Engel, 1984; Tatum et al., 2018).
Важно, чтобы неврологи, наблюдающие пациентов с эпилепсией, понимали основные биофизические механизмы возникновения сигнала и технологию записи для того, чтобы иметь возможность интерпретировать клиническую ЭЭГ. Этот обзор объясняет, как ЭЭГ-сигналы генерируются в мозге и как они записываются/обрабатываются ЭЭГ-регистратором.
Источник биоэлектрической активности мозга, регистрируемой на ЭЭГ
Электрический сигнал, регистрируемый на ЭЭГ, генерируется ионными токами в дендритной мембране пирамидных нейронов в корковых слоях IV-V (Amzica and Lopes da Silva, 2018). Клеточная мембрана является электрическим диэлектриком, поэтому невозможно записать внутриклеточные сигналы с помощью скальповых. ЭЭГ фиксирует электрический ток внеклеточного пространства. Эти локальные потенциалы вырабатываются внеклеточными нейронными генераторами – возбуждающими и тормозными постсинаптическими потенциалами (соответсвенно ВПСП и ТПСП), проходящими через мозговую ткань и кости черепа к записывающим электродам, расположенным на скальпе. Этот биофизический феномен называется "объемное проведение". Потенциалы действия на отростках нейронов не приводят к возникновению ЭЭГ-сигнала. Они относительно случайны и ограничены небольшим количеством нейронов, слишком короткие по продолжительности. Так как они относительно случайны и генерируются из очень маленькой и анатомически обособленной активности; то они теряются в фоновой активности и мало влияют на сигналы, записанные электродами на скальпе.
Активация дендрита или тела нервной клетки, которые вызывают либо возбуждение, либо торможение (за счет ВПСП и ТПСП), синхронизирована и генерирует достаточно большой электрический потенциал между проксимальной и дистальной частями дендрита, который образует электрический диполь. Тела клеток этих нейронов находятся в IV и V слоях в "палисадах", которые параллельны друг к другу и расположены перпендикулярно поверхности коры головного мозга (рис. 1), а их дендриты простираются до поверхностных корковых слоёв. ВПСП в основном возникает в дистальных областях дендритов, в то время как ТПСП ближе к телу клетки. Такое анатомическое разделение возбуждения и торможения и образует диполь. Когда большое количество нейронов синхронизированы, эффект ВПСП или ТПСП суммируются, и они могут быть зафиксированы электродами, расположенными на скальпе.
Для возникновения ВПСП, подпороговая деполяризация дендритной мембраны вызывает приток положительно заряженных ионов, главным образом Na+, внутрь клетки, формируя отрицательный внеклеточный заряд там, где находится синапс. Благодаря компенсаторному возврату тока, положительный внеклеточный заряд существует на расстоянии вдоль дендритной мембраны. Для ТПСП изменение внеклеточного электрического заряда является противоположным, т.е. локальный внеклеточный заряд в синапсе, возникающий из-за притока отрицательно заряженных элементов (Cl-) внутрь клетки (активный «электрод»), и локальный внеклеточный отрицательный заряд в качестве пассивного «электрода» возникает из-за компенсаторного течения тока. Генерируемый внеклеточный ток имеет дипольное распределение на апикальной части дендрита, протекающее от источника ионов к их поглотителю (рис.1).
Для записи паттернов ЭЭГ, таких как альфа-ритм или интериктальные эпилептиформные разряды (спайки, острые волны и т.д.) должно быть синхронно активировано около 10 см2 коры (Tao и др., 2005), что ограничивает пространственное разрешение ЭЭГ. Суммирование многочисленных, маленьких диполей (как описано выше) приводит к появлению токов, которые достаточно велики, чтобы проникнуть через ткани между генератором и регистрирующим электродом. Диполи, генерирующие интериктальные эпилептиформные разряды, имеют специфическую ориентацию, отрицательный полюс находится ближе к поверхностным слоям коры (вдали от тела клетки), а положительный полюс - ближе к более глубоким слоям (ближе к телу клетки). Наиболее правдоподобным объяснением такой ориентации является различное распределение по апикальным дендритам возбуждающих и тормозных синапсов между слоями коры, которые и генерируют интериктальные эпилептиформные разряды, как упоминалось выше, где возбуждающие синапсы находятся далеко от тела нейрона, и ингибирующие синапсы расположены близко к телу клетки (рис. 1). Положение и ориентация области коры, генерирующей ЭЭГ-сигнал, определяет распределение отрицательных и положительных потенциалов на скальпе. Это топография, которая может быть визуализирована с помощью вольтажных или амплитудных карт. На рисунке 2 показано, как объемное проведение токов, генерируемых в различных направлениях (радиальное, тангенциальное) коры определяют топографию разрядов на скальпе.
ЭЭГ электроды и методы записи
Электроды осуществляют контакт между пациентом и ЭЭГ-регистратором- В этой статье описаны только неинвазивные методы ЭЭГ-записи.
Скальповые электроды – наиболее часто используемые электроды при записи ЭЭГ (Sinha и др. 2016). Скальповые электроды сделаны из неполяризующегося металла, обычно используется серебро, хлорид серебра или золото. Контактная поверхность диска электрода должна быть 5-10мм в диаметре, заполняется электролитической пастой. Таким образом, в стационарном состоянии между двумя слоями заряда с противоположной полярностью, т.е. между металлической поверхностью электрода и электролитической пастой, существует поток ионов. Это генерирует электродный потенциал. Когда к обоим слоям приложено напряжение, ток течет между окружающей тканью и электродом. Этот ток зависит от соотношения напряжения и сопротивления, по закону Ома: V=I*R (где V – напряжение, I – сила тока, R – сопротивление).
Импеданс отражает влияние сопротивления и емкости и соответствует сопротивлению в цепях переменного тока, где V=I*Z (где Z представляет импеданс). Постоянный ток поляризует некоторые металлы, вызывая увеличение емкости и изменение свойств проводимости. Чтобы избежать нестабильности сигнала, для ЭЭГ электродов используют неполяризуемые (инертные) металлы, такие как серебро/хлорид серебра или золото. Электроды не должны ослаблять сигнал в диапазоне от 0,5 до 70 Гц.
Импеданс электрода зависит от электрического сопротивления кожи и контакта между кожей и электролитической пастой. Импеданс электродов более 5 Ом может быть причиной грубых артефактов. Так как современное ЭЭГ-оборудование имеет высокий импеданс входа, могут быть использованы электроды с импедансом 10 Ом. (Usakli, 2010). Импеданс электродов также не должен быть ниже 100 Ом, так как обычно это приводит к образованию «солевых мостиков» между двумя соседними электродами (Sinha и др., 2016). Перед наложением электродов должны быть использованы очищающие кожу средства для удаления с её поверхности загрязнения и пота для снижения импеданса. Проводящая паста должна иметь высокую концентрацию NaCl. Хороший контакт между электродом, поводящей пастой и кожей должен сохраняться на протяжении всей записи. Импеданс электродов должен быть проверен после наложения электродов на кожу головы, в начале записи и в конце записи. Если возникают какие-то сомнения, то импеданс может быть измерен повторно для уточнения, что все контакты в порядке.
Скальповые электроды располагают в стандартных точках (рис. 3), согласно рекомендациям IFCN (международная федерация нейрофизиологии) (Seek и др., 2017г) которые также имеют название «международная система 10-20%» (Sharbrough, 1997г). Используют стандартные анатомические точки на черепе такие как назион (точка между лбом и носом) и инион (бугор в задней части черепа), и точки перед ушами (рис. 4). Расстояния между этими точками на черепе измеряются (от назиона к иниону, от левой точки перед ухом к правой точке перед ухом), и электроды располагаются на расстоянии в 10% и 20% от общей длины (рис. 4). В сопутствующем видео показаны позиции электродов.
Стандартизированные названия позиций электродов содержат два символа (рис.3). Первый символ – это начальная буква названия нижележащей доли мозга, и второй символ – это число, указывающее на его более точное положение в этой области. Аббревиатуры – это Fp (лобный полюс), F (лобная), C (центральная), P (теменная), O (затылочная), T (височная). Сагиттальные (расположенные на средней линии) электроды вместо цифры имеют добавочную букву «z» - Fz, Cz, Pz. Электроды под четными числами располагаются на правой половине черепа, нечетные электроды – на левой половине. Электроды с меньшим номером располагаются ближе к средней линии, с большими номерами – дальше от средней линии. Электроды F7 и F8 расположены не над лобной долей, соответственно их названиям, а над височной долей. Таким образом, они записывают сигналы от височной доли в дополнение к лобной доле. Геометрический аспект включен в названия электродов, однако, P7 и P8 вводят в заблуждение, так как на самом деле они расположены над задней частью височной, а не теменной области. Обратите внимание, что четыре электрода имеют разную маркировку по старой 10-20 номенклатуре, но все еще используются во многих ЭЭГ-лабораториях. (T7=T3; T8=T4; P7=T5; P8=T6). Стандартный монтаж IFCN расширяет классическую схему 10-20 с электродами, включающими нижнюю височную цепь, помеченную желтым цветом на рисунке 4. Это необходимо, потому что система 10-20 не покрывает нижнюю часть височной доли, и добавление нижней цепи увеличивает диагностические возможности межприступных записей ЭЭГ и точность локализации иктальных записей (Rosenzweig и др., 2018, Bach Justesen и др., 2018).
Более плотное расположение электродов можно достигнуть путем размещения всех электродов на 10% расстоянии; или для достижения более высокой плотности - на 5% расстоянии (Seeck et al., 2017). Такие высокоплотные, равномерно распределенные монтажи полезны для более точной математической локализации диполя. Электродные шлем с электродами высокой плотности меньше пригодны для длительной регистрации, и дополнительной ценности в стандартных (обычных) записях замечено не было (Бах Юстесен и др., 2019). С помощью вычислительных методов (интерполяция), можно оценить электрический потенциал даже в тех точках на скальпе, которые располагаются между электродами.
В дополнение к этим электродам должны использоваться изолированные заземляющие электроды и подключены к разъему, указанному производителем. Для большинства цифровых ЭЭГ-аппаратов требуется один или несколько электродов для заземления кожи головы.
Кроме ЭЭГ-электродов, расположенных на скальпе, ко всем ЭЭГ-записям должен быть добавлен ЭКГ-канал. Также рекомендовано записывать два канала электроокулограммы (ЭОГ). Наличие каналов ЭКГ и ЭОГ помогут отделить артефакты от истинно пароксизмальной активности на ЭЭГ. В отдельных случаях также могут быть добавлены каналы электромиографии (ЭМГ) для регистрации моторных приступов, а дыхательные датчики - для регистрации изменений частоты дыхания, например, иктального апноэ, особенно в неонатальной/педиатрической практике. По этим же соображениям применяются мониторы дыхания у новорожденных, для оценки состояния в отделении интенсивной терапии, и для определения артефактов. Дополнительные электроды вокруг горизонтальной и вертикальной осей глаз помогают при оценке сна.
Сфеноидальные электроды
Сфеноидальные электроды, изготовленные из нержавеющей стали, серебряных или платиновых стержней с концевым контактом для записи, вставляются через игольчатую канюлю под скуловой дугой, так что наконечник электрода располагается сбоку от овального отверстия. Осложнения, связанные с их вводом, включают местный дискомфорт, инфекции и повреждение ветвей тройничного нерва и/или лицевого нерва. Считалось, что близость сфеноидального электрода к полюсу височной доли и орбитофронтальным участкам повысит его диагностическую ценность. Все электроды в виде стержней или игл следует использовать с большой осторожностью у склонных к кровотечениям пациентов, и они противопоказаны пациентам с инфекционными заболеваниями, особенно кожными. Так же существует риск получения травм персоналом от самой иглы. Однако, эти электроды все еще экстракраниальные, и ценность использования сфеноидальных электродов является спорной (Kanner и др., 2002). В настоящее время считается, что сфеноидальные электроды не записывают больше или лучше ЭЭГ-сигналов по сравнению с электродами на скальпе, в составе нижней височной цепи (см. ниже). Кроме того, они вызывают дискомфорт у пациентов, и поэтому их использование не рекомендуется. Подкожные игольчатые электроды могут быть использованы для длительной записи ЭЭГ у пациентов в коме, в ситуациях, когда применение чашечных электродов неосуществимо из-за персонала или из-за ограниченного времени (Sinha et al., 2016). Для этих условий следует использовать только одноразовые электроды ЭЭГ. Все многофункциональные электроды должны быть продезинфицированы после каждой записи. Специальные дезинфекционные процедуры должны быть соблюдены при записи ЭЭГ у пациентов с инфекционными заболеваниями (Скотт, 2013).
Усилители
Электрические сигналы, записанные электродами ЭЭГ, поступают в усилитель (рис. 5), который содержит записывающие каналы, по одному на каждый активный электрод. Цепь защиты или трансформатор обеспечивают прохождение сигнала только от пациента к аппарату, а не к окружающим предметам, тем самым защищая пациента от поражения электрическим током, которое может быть вызвано работой ЭЭГ-прибора.
Каждый канал усилителя ЭЭГ измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя электродами - активным и референтным. Физическим референтным электродом по отношению к которому осуществляют запись ЭЭГ является один из электродов на скальпе, который используют в современных цифровых ЭЭГ-регистраторах. Чаще всего он является дополнительным электродом, установленным на скальпе. Его называют "общий записывающий референт" (Common recording reference – CRR). Например, для канала, в котором С3 - это активный электрод, разность потенциалов измеряется между C3 и CRR; для P3 – между P3 и CRR, и т.д. Затем, после аналого-цифрового преобразования, значение потенциала CRR вычитаются из всех каналов (т.к. являются одинаковыми), после чего показатель активности под каждым электродом может быть представлен отдельно или в соответствующем монтаже.
Амплитуды сигналов мозга, записанных скальповыми электродами, крайне низкие и измеряются в микровольтах. Значение электрического потенциала на каждом электроде в значительной степени подвержено влиянию высокоамплитудных сигналов, которые проводятся к коже головы от других частей тела. Однако, эти сигналы есть на каждом скальповом электроде, поэтому их вычитают при появлении на CRR и из потенциала на активном электроде, что позволяет записать ЭЭГ-сигналы, непосредственно соответствующие подлежащей электроду области мозга.
Аналоговые электрические колебания преобразуются в цифровой код, т.е. в "виртуальные" колебания в компьютере. Напряжение аналогового электрического сигнала в каждом канале измеряется в очень коротком временном промежутке и сохраняется в компьютере. Затем напряжение измеряется в следующем временном интервале и так далее. Таким образом, каждый канал ЭЭГ показывает изменение напряжения во времени, так что разрешение во времени определяется длительностью "временнОго промежутка". Насколько короткой должен быть эта промежуток для записи ЭЭГ? Для точного отображения колебания сигнала, в котором цикл показывает изменение положительной и отрицательной полярности (от минуса к плюсу), необходимо, по крайней мере, два измерения в каждом цикле, которые в идеале должны выполняться для каждой полярности. Для колебаний с частотой 40 Гц (40 изменений полярности в одну секунду) необходимо измерять напряжение (образец) не менее 80 раз в секунду или дважды в цикл. Это дает частоту выборки 80 отсчетов в секунду или 80 "временных промежутков" в секунду. Таким образом, при делении 1000 мс на 80 получается "временной промежуток" в 12,5 мс. Электрические сигналы, имеющие значение для стандартной клинической интерпретации, находятся в диапазоне частот от 0,1 до 70 Гц. Так как частота выборки должна быть как минимум вдвое больше значения самой высокой частоты, требуемой для записи, минимальный стандарт частоты дискретизации для клинической ЭЭГ составляет 128 раз в секунду. Однако для лучшей характеристики сигнала, т.е. лучшего разрешения во времени, желательна более высокая частота выборки. Большинство современных ЭЭГ-регистраторов могут записывать сигнал с частотой 256 Гц и выше. Если включить отведения ЭМГ в монтаж, то это создаст дополнительные требования к частоте дискретизации, поскольку ЭМГ-сигналы включают более высокочастотные области, и частота дискретизации должна быть значительно выше (≥ 1 кГц).
Фильтры
Если частота дискретизации меньше, чем половина частоты записываемых колебаний, то запись будет искажена. Это явление называется «элиайзинг». ЭЭГ-электроды способны улавливать высокочастотные электрические шумы, например, от мышц черепа, что приводит к возникновению артефактов и т.д. Чтобы предотвратить искажение записей этими высокочастотными компонентами, сигналы фильтруются при помощи аналогового фильтра или фильтра со сглаживанием до аналого-цифрового преобразования (рис. 5). Эффект этого фильтра постоянный и его нельзя изменить после записи сигнала.
После аналого-цифрового преобразования цифровые сигналы могут дополнительно фильтроваться с помощью селективных цифровых фильтров. Однако эффект цифровых фильтров не является постоянным, так как это всего лишь постобработка цифровых записей. Многие нежелательные сигналы находятся в диапазонах частот, которые отличаются от диапазонов ЭЭГ-сигналов, генерируемых мозгом, и поэтому могут быть удалены или ослаблены с помощью цифровых фильтров при просмотре записей. Однако при использовании цифровых фильтров есть несколько «ловушек». Если отфильтровать компонент в диапазоне 0,1-70 Гц, то можно изменить ЭЭГ-сигналы даже в этой частоте. Частотные компоненты, находящиеся в диапазоне значений фильтра, и близкие к ним, становятся искаженными.
Высокочастотные или низкочастотные фильтры ослабляют компоненты частоты выше значения фильтра. Фильтры ослабляют амплитуду сигналов при отсечении фильтра на 20-30%, а еще более высокие частоты ослабляются в большей степени, вплоть до полного устранения. Мышечные артефакты, в том числе поверхностные ЭМГ-сигналы от мышц черепа, имеют более высокие частотные компоненты, чем большинство ЭЭГ-сигналов. Однако их фильтрация может также устранить высокочастотные вспышки ЭЭГ-сигналов, например, спайки.
Другая проблема заключается в том, что фильтрация мышечной активности только ослабляет эти сигналы, а то, что осталось, может напоминать вспышки/острые волны и привести к ошибочной интерпретации.
Низкочастотные или высокочастотные фильтры ослабляют медленные компоненты. Низкочастотный диапазон включает в себя артефакты движения и потоотделения, которые могут быть в значительной степени ослабляется при использовании этих фильтров. Недостаток слишком низкочастотной фильтрации - это потеря или уменьшение очаговой или генерализованной патологической активности.
В крайнем случае, например, при регистрации гипсаритмии, ЭЭГ может выглядеть относительно нормально. Влияние низкочастотного фильтра зависит от константы времени, которая определяется как время, необходимое для уменьшения амплитуды квадратной волны до 37% от ее первоначального значения (Sharbrough, 1997). Частота отсечения может быть вычислена делением 0,16 (1/2Пи) на числовое значение константы времени. Например, при частоте среза 0,16 Гц константа времени равна 1 секунде. Слишком большое увеличение значения низкочастотного фильтра может привести к удалению некоторых клинически важных медленных волн или искажению формы низкочастотного ЭЭГ-сигнала. Примером может служить искажение артефакта мигания до такой степени, что правильная интерпретация становится затруднительной.
Сетевой фильтр (notch, режектор) воздействует только в узком частотном диапазоне и в основном используется для устранения электрических помех, вызванных несущей частотой тока электросети 50 или 60 Гц. Важно начинать все записи с отключенным режектором фильтром, чтобы техник мог быть предупрежден о "плохих электродах" со слабыми контактами между электродами, пастой и кожей головы. Когда начинается просмотр записи ЭЭГ, рекомендуемые настройки фильтра: 0,5 Гц - 1 Гц для высокочастотного и 70 Гц для низкочастотного цифрового фильтра, с выключенным селективным 60-Гц или 50-Гц фильтром (Sinha и др., 2016).
Калибровка
Калибровка выполняется для оценки точности ЭЭГ-аппарата. Внутри ЭЭГ-аппарата генерируется сигнал, который затем записывается. Затем сигнал проверяется по нескольким параметрам самим аппаратом в виде внутренней калибровки и включает в себя входное напряжение определенной прямоугольной формы в диапазоне от 1 V до 10 mV, которое проходит через различные фазы обработки ЭЭГ-сигнала. Калибровка является неотъемлемой частью каждой ЭЭГ-запись (Sinha и др., 2016).
Вторая часть материала доступна здесь.
