ВВЕДЕНИЕ
Целью данной статьи является подробное описание ключевых технических характеристик современного ЭЭГ-оборудования и их влияния на качество регистрируемого сигнала.
Понимание значения технических параметров регистрирующей аппаратуры поможет медицинским работникам сделать правильный выбор при приобретении нового оборудования, а также корректно устанавливать необходимые параметры регистрации для обеспечения максимально возможного качества ЭЭГ-сигнала.
Кроме этого в данной статье приведено сравнение технических характеристик доступного в России ЭЭГ-оборудования. Такое сравнение стало возможным после того, как с 2023 года на сайте Росздравнадзора начали публиковать полный пакет документов на зарегистрированное медицинское оборудование, включая данные о технических параметрах оборудования [1].
Данная статья опубликована в журнале "Эпилепсия и пароксизмальные состояния" №4 за 2023 год.
ВВЕДЕНИЕ
На заре электроэнцефалографии в середине двадцатого века ЭЭГ-регистраторы занимали целые комнаты и могли работать только в экранированных помещениях. С прогрессом микроэлектроники современные электроэнцефалографы превратились в компактные компьютерные приборы, способные обеспечивать высококачественную регистрацию ЭЭГ-сигнала практически в любых условиях, включая палаты интенсивной терапии [2], где работает большое количество разнообразного оборудования, создающего помехи (Рисунок 1).
Но, тем не менее, качество регистрации ЭЭГ-сигнала по-прежнему зависит от качества применяемых электродов и от технических характеристик ЭЭГ-оборудования, которое используется для проведения обследования. Именно о значении различных технических параметров современных усилителей ЭЭГ в этой статье и пойдет речь. Будут рассмотрены основные технические характеристики ЭЭГ-оборудования и их влияние на качество регистрируемого сигнала. В завершении статьи будет представлена сравнительная таблица технических параметров ЭЭГ-оборудования, доступного в Российской Федерации. В сравнение попали как регистраторы ведущих отечественных производителей, так и импортные образцы.
Современный компьютерный электроэнцефалограф состоит из двух основных электронных компонентов: усилителя аналогового сигнала и аналогово-цифрового преобразователя [3]. Именно от характеристик этих двух компонентов в конечном итоге и зависит качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала. Ниже рассмотрены параметры ЭЭГ-регистраторов и описано их влияние на качество регистрируемого сигнала.
ЧАСТОТА КВАНТОВАНИЯ / SAMPLING RATE
Современный компьютерный электроэнцефалограф хранит зарегистрированные данные на жестком диске компьютера и отображает их на экране монитора. Так как компьютеры не могут хранить и обрабатывать аналоговые сигналы, ЭЭГ-сигнал необходимо перевести из аналоговой в цифровую форму (оцифровать). Эту задачу выполняет аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) [3], 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 сигнала и свои недостатки и ограничения, например, цифровой сигнал имеет ограниченное разрешение по времени и амплитуде (Рисунок 2).
Частота квантования как раз и определяет разрешающую способность АЦП по времени. Она обычно измеряется в Герцах (Гц) и показывает количество отсчетов цифрового сигнала в секунду. С точки зрения хранения и отображения ЭЭГ-сигнала от частоты квантования зависит плавность кривых по оси времени. Ниже представлены отличия сигнала, записанного с разной частотой квантования (Рисунок 3):
Сигнал рисунке 2 содержит одну и ту же синусоиду частотой 10 Гц, но при частоте квантования 100 Гц можно заметить неравномерность пиков синусоиды, обусловленную недостаточной разрешающей способностью АЦП по времени. На частоте квантования 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 приведет к улучшению качества сигнала, но приведет к существенному увеличению его объема при хранении в базе данных обследований на компьютере. Это «оборотная сторона медали» - при увеличении частоты квантования сигнала увеличивается и объем хранимой информации.
Важно: В соответствии с теоремой Котельникова для отображения любой частоты колебаний в цифровом виде необходима частота квантования как минимум в 2 раза превышающая эту частоту колебаний [4, 5].
Таким образом, если на ЭЭГ-кривых необходимо увидеть частоты колебаний сигналов до 75 Гц, то необходима, как минимум, частота квантования 150 Гц. В рекомендациях Международной противоэпилептической лиги [10] прописана минимально допустимая частота квантования для регистрации ЭЭГ-сигнала в 200-256 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-сигнала на современном экране компьютера рекомендуется использовать частоту квантования не менее 500 Гц.
РАЗРЯДНОСТЬ АЦП / ADC BIT
Как упоминалось выше, качество цифрового представления сигнала зависит от двух параметров блока АЦП, а именно от разрешающей способности и частоты квантования. Частота квантования, как разрешающая способность по времени, была рассмотрена выше, теперь остановимся подробнее на разрешающей способности АЦП по амплитуде (Рисунок 4).
Разрешающая способность АЦП - это 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, например, необходимо измерять аналоговый сигнал в диапазоне от -10 мВ до +10 мВ, то размер одной 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 (Рисунок 5).
При применении более современных 16-ти битных АЦП (65536 ступенек) точность измерения амплитуды того же диапазона ±10 мВ уже составляет всего 0.3 мкВ, что намного лучше. Если же при таком АЦП будет необходимо оцифровывать сигнал в более широком амплитудном диапазоне, например, от -100 мВ до +100 мВ, то точность оцифровки составит уже всего 3 мкВ. Таким образом, увеличивая входной диапазон измеряемого сигнала, уменьшается точность его цифрового представления. Именно поэтому в настоящее время применяются самые передовые 24-х битные АЦП, которые позволяют обеспечить одновременно и широкий регистрируемый диапазон амплитуд, и высокую точность оцифровки сигнала.
УРОВЕНЬ ВНУТРЕННИХ ШУМОВ УСИЛИТЕЛЯ / INTERNAL NOISE
Для того, чтобы подать низкоамплитудный ЭЭГ-сигнал на вход АЦП для оцифровки, его необходимо предварительно усилить. Кроме параметров аналогово-цифрового преобразователя на качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала оказывают прямое влияние и характеристики усилителя аналогового сигнала. Один из важнейших параметров усилителя – это уровень собственных шумов [6]. Обычно уровень шумов возрастает прямо пропорционально коэффициенту усиления и регистрируемому диапазону амплитуд аналогового сигнала. Высококачественные усилители, как правило, имеют в своем составе несколько каскадов усиления, что увеличивает качество усиления, но ведет к удорожанию электронных комплектующих, необходимых для построения ЭЭГ-регистратора.
В настоящее время существует два варианта оценки собственного шума усилителя:
· От пика до пика.
· Среднее квадратичное отклонение (RMS).
Для измерения уровня собственного шума усилителя в тестовой лаборатории обычно накоротко замыкаются все его входы и производится измерение регистрируемого сигнала. В идеале на выходе должна регистрироваться чистая изолиния, но на практике такого не бывает, так как любой современный усилитель имеет собственный шум. Размах регистрируемого таким образом сигнала и называют собственным шумом усилителя, измеренным от пика до пика (Рисунок 6).
Среднее квадратичное отклонение — это наиболее распространенный показатель рассеивания значений случайной величины относительно её математического ожидания (аналога среднего арифметического с бесконечным числом исходов). На практике обычно для белого шума значение среднего квадратичного отклонения меньше значения амплитуды от пика до пика примерно в 6-7 раз.
Важно: Наличие двух вариантов измерения внутреннего шума усилителя нередко приводит к путанице при сравнении двух ЭЭГ-регистраторов между собой.
Уровень собственных шумов усилителя имеет особо важное значение при регистрации низкоамплитудной ЭЭГ, например, при регистрации ЭЭГ в палате интенсивной терапии[2] или при диагностике смерти мозга [11]. Но и при регистрации обычных рутинных ЭЭГ-обследований уровень собственных шумов является важной характеристикой усилителя, влияющей на качество регистрируемого сигнала.
ПОДАВЛЕНИЕ СИНФАЗНОЙ ПОМЕХИ / COMMON-MODE REJECTION RATIO
Основной проблемой при регистрации ЭЭГ в неэкранированных помещениях является помеха от питающей электрической сети (50 Гц или 60 Гц в зависимости от региона). Ее также называют синфазной наводкой. В современных ЭЭГ-регистраторах подавление синфазной наводки производится с помощью каскада усиления с обратной связью. Для организации этой обратной связи используется дополнительный электрод, накладываемый на любую точку тела обследуемого. Этот электрод обычно называют общим или заземляющим. Именно сигнал с заземляющего электрода используется для подавления синфазной помехи от питающей сети (Рисунок 7).
Коэффициент подавления синфазной помехи обычно рассчитывают в децибелах (дБ). Чем больше коэффициент подавления (CMRR), тем меньше влияние электрической питающей сети на качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала.
Иногда одного только аппаратного подавления синфазной помехи оказывается недостаточно, например, при работе ЭЭГ-регистратора в непосредственной близости от источников переменного тока. В таких случаях на помощь приходят программные цифровые фильтры, реализованные в компьютерном программном обеспечении и работающие с сигналом ЭЭГ, который уже зарегистрирован, непосредственно перед выводом его на дисплей монитора [7]. В совокупности аппаратный и программный фильтры в большинстве случаев позволяют избавиться от проблем с сетевой наводкой при регистрации ЭЭГ.
Важно:Программные цифровые фильтры работают тем качественнее, чем выше частота квантования записанного сигнала, но вычислительных ресурсов на их работу при этом расходуется больше.
ВХОДНОЙ ДИАПАЗОН ПО АМПЛИТУДЕ / INPUT RANGE
Каждый усилитель и каждый аналогово-цифровой преобразователь имеет рабочий диапазон амплитуд, с которым он может работать. При превышении этого диапазона схемотехника уходит в режим насыщения или «зашкал» (Рисунок 5).
Средняя амплитуда ЭЭГ-сигнала здорового человека обычно не превышает 100-200 мкВ от пика до пика. Амплитуда биоэлектрической активности головного мозга, зарегистрированная со скальпа во время эпилептического приступа, может составлять 500 – 1000 мкВ и более (Рисунок 8), а во время записи с инвазивных ЭЭГ-электродов или во время разного рода артефактов записи амплитуда регистрируемого сигнала может достигать десятков и сотен милливольт.
Так какой же входной диапазон амплитуд должен быть у современного ЭЭГ-регистратора? Как минимум он должен работать в диапазоне ±12 мВ, чтобы обеспечивать отображение эпилептиформной активности и не уходить в зашкал при высокоамплитудных артефактах. Но есть еще такое явление, как поляризация регистрирующих электродов, которая дает постоянное смещение регистрируемого усилителем сигнала (в начале статьи упоминалось, что качество регистрации ЭЭГ-сигнала зависит от используемых ЭЭГ-электродов). Поляризация электродов зависит от качества материала, из которых они изготовлены, и может достигать 300 мВ. Таким образом современный ЭЭГ-регистратор должен обеспечивать запись сигнала в диапазоне ±12 мВ с компенсацией постоянной составляющей до 300 мВ. Такие показатели были достижимы при применении 16-ти битных АЦП. С применением современных 24-х битных АЦП современные ЭЭГ-регистраторы могут существенно расширять регистрируемый диапазон амплитуд при сохранении высокой точности оцифровки сигнала. С применением таких АЦП современные ЭЭГ-регистраторы имеют входной диапазон до нескольких сотен милливольт.
ВХОДНОЙ ДИАПАЗОН ПО ЧАСТОТЕ / FREQUENCY RANGE
Так же как ограничения по амплитуде, каждый регистратор ЭЭГ имеет свои ограничения по частотному диапазону регистрируемого сигнала, который складывается из нижней и верхней частоты пропускания (Рисунок 9).
Фильтр нижних частот (ФНЧ) служит для подавления высокочастотных колебаний, таких, как миографические артефакты, сетевая наводка.
Фильтр верхних частот (ФВЧ) предназначен для подавления медленноволновых колебаний и для компенсации постоянной составляющей сигнала, которая может возникать в следствие поляризации ЭЭГ-электродов.
Полосовой фильтр может применяться для выделения из сигнала определенного частотного диапазона, например, только альфа-ритма.
Режекторный фильтр применяется для подавления заданного частотного диапазона, например, сетевой наводки 50 или 60 Гц.
Перечисленные фильтры обычно можно включить или выключить, а также задать частоту среза для каждого из них в программном обеспечении для регистрации и анализа ЭЭГ [7], но и аппаратно каждый ЭЭГ-регистратор имеет ограниченный частотный диапазон регистрируемого сигнала. Так, первые ЭЭГ-регистраторы могли записывать сигнал в полосе частот от 0,5 Гц до 35 Гц. В соответствии с Рекомендациями экспертного совета по нейрофизиологии Российской противоэпилептической лиги по проведению рутинной ЭЭГ от 2016 года [8] в настоящее время для записи ЭЭГ-сигнала используется частотный диапазон от 0,5 Гц до 70 Гц. Практически каждый современный ЭЭГ-регистратор позволяет записывать такой сигнал. Но иногда необходимо просмотреть ЭЭГ-сигнал в более широком частотном диапазоне, например, оценить сверхмедленные колебания или напротив, высокочастотные осцилляции [9]. В этом случае необходим ЭЭГ-регистратор с более широкой полосой пропускания по частоте и с высокой частотой квантования. Именно поэтому в современных электроэнцефалографах все чаще применяются так называемые каналы постоянного тока, которые способны регистрировать сигнал в частотном диапазоне от 0 Гц до 600 Гц.
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ УСИЛИТЕЛЯ / AMPLIFIER INPUT IMPEDANCE
Еще одной важной характеристикой аппаратуры для точной записи регистрируемого ЭЭГ-сигнала является входное сопротивление усилителя, которое является мерой того, насколько точно усилитель может измерять электрический потенциал без внесения искажений. Поскольку сопротивление электродов обычно не равно нулю, важно иметь высокое входное сопротивление усилителя для того чтобы можно было получить точный незашумленный сигнал. Обычно усилители ЭЭГ имеют входное сопротивление (импеданс) не менее 100 МОм, что обеспечивает достаточную точность измерения даже с электродами, имеющими высокое сопротивление. Так, например, при величине входного сопротивления усилителя 1 МОм импеданс электродов для удовлетворительной регистрации ЭЭГ не должно превышать 20 кОм. Увеличение входного сопротивления до 100 МОм дает возможность отводить потенциалы с электродов с худшим импедансом. Но тем не менее, каким бы высоким ни был входной импеданс ЭЭГ-регистратора, на практике необходимо всегда добиваться минимально возможного импеданса при наложении регистрирующих ЭЭГ-электродов.
СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК / COMPARISON OF TECHNICAL PARAMETERS
Начиная с 2023 года, Росздравнадзор начал публиковать на своем сайте руководства по эксплуатации всех зарегистрированных медицинских изделий [1]. Так как руководство по эксплуатации на электроэнцефалограф содержит его технические характеристики, это позволило провести объективное сравнение ЭЭГ-оборудования, зарегистрированного в России.
Итак, в завершении разбора технических характеристик ЭЭГ-оборудования и их значения для качественной регистрации сигнала было проведено сравнение технических характеристик доступных в России электроэнцефалографов отечественного и импортного производства, представленное в таблице 1. Данное сравнение проводилось только на основании данных, опубликованных на сайте Росздравнадзора [1]. Данные с сайтов производителей и из рекламных брошюр не использовались для сравнения, так как они зачастую разнятся с официальными параметрами оборудования, которые при сертификации подвергаются проверке в тестовых лабораториях.
В сравнении приняли участие шесть электроэнцефалографов: четыре отечественных и два импортных. Сравнение производилось по каждому техническому параметру, описанному в данной статье. Следует отметить, что все ЭЭГ-регистраторы, попавшие в сравнение, соответствуют минимальным техническим требованиям, необходимым для записи ЭЭГ в соответствии с Рекомендациями экспертного совета по нейрофизиологии Российской противоэпилептической лиги по проведению рутинной ЭЭГ от 2016 года [8].
Так как автор является аффилированной стороной, в статье не приводится никаких выводов из сравнения. Стоит только отметить, что современные отечественные электроэнцефалографы по своим техническим характеристикам не уступают импортным образцам, а зачастую и превосходят их.
Таблица 1. Сравнение технических характеристик ЭЭГ-оборудования, доступного в России
ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION
В статье приведен перечень технических характеристик современного оборудования для регистрации ЭЭГ, описано влияние каждого параметра на качество регистрируемого сигнала, а также выполнено сравнение технических характеристик современных электроэнцефалографов, зарегистрированных на территории России. Понимание значения технических параметров должно помочь специалистам в области регистрации и анализа ЭЭГ правильно выбирать оборудование и задавать корректные настройки его параметров при работе.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ / REFERENCES
2. Электроэнцефалография у пациентов отделений реанимации и интенсивной терапии под ред. М. В. Синкина, Е. А. Барановой, 2022.
3. Иванов А.А. Устройство современного электроэнцефалографа. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2022; 14(4):362-378.
4. Лукин А. Введение в цифровую обработку сигналов, Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа, МГУ, 2007.
5. Ричард Лайонс Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. – М.: «Бином-Пресс», 2006г. – 656 с.:ил.
6. Важенин В.Г. Аналоговые устройства на операционных усилителях. Учебное пособие. Институт радиоэлектроники и информационных технологий, Екатеринбург, 2014.
7. Иванов А.А. Обзор возможностей современного программного обеспечения для регистрации и анализа ЭЭГ. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2023;15(1):53-69.
8. РЕКОМЕНДАЦИИ ЭКСПЕРТНОГО СОВЕТА ПО НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ПРОТИВОЭПИЛЕПТИЧЕСКОЙ ЛИГИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ РУТИННОЙ ЭЭГ. Эпилепсия и пароксизмальные состояния. 2016;8(4):99-108.
9. Русскоязычный словарь терминов, используемых в клинической электроэнцефалографии. М.В. Синкин, Н.Е. Кваскова, А.Г. Брутян, В.Ю. Ноговицын, А.А. Троицкий и др. 2021.
10. ILAE. Proposed Guideline: Minimum standards for recording routine and sleep EEG, 2022.
11. ПРИКАЗ VP HA от 25 декабря 2014 г. N 908н О ПОРЯДКЕ УСТАНОВЛЕНИЯ ДИАГНОЗА СМЕРТИ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА.