Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н. Э. Баумана)

Факультет «Биомедицинская техника (БМТ)»

Кафедра «БМТ 1»

Курсовой проект

по дисциплине «Теоретические основы биотехнических систем»

Тема курсового проекта:

“Разработка БТС исследований головного мозга при помощи электроэнцефалографа “Нейрон-Спектр-5”» под действием фотостимуляции.”

Руководитель проекта:___________________________Самородов А.В.

Консультант:_______________________________________Котин В.В.

Студент:____________________________________________Зуев А.А.

Оглавление

1. Введение. 4

1.1 Актуальность. 4

1.2 Цель работы 5

2.Вызванные потенциалы (ВП). 5

2.1. Зрительные ВП. 8

3. Электроретинограмма. 11

4. ЗВП при разных видах стимуляции 12

4.1 ЗВП на вспышечный стимул (ВЗВП). 12

4.2 ЗВП на реверсивный шахматный паттерн (ПЗВП). 17

5. Аппаратура для исследования. 20

5.1. Усилители для регистрации ВП. 21

5.2. Характеристика АЦП и требования к визуализации. 24

5.3. Электроды,отведения. 25

6. Бета-ритм. Общая характеристика. 27

7. Спектральный анализ. 28

8. Приложения. 32

9. Выводы. 43

10.Список использованной литературы 44

1. Введение.

Регистрация вызванных потенциалов (ВП) мозга является объективным и неинвазивным методом тестирования функций ЦНС человека. Использование ВП является неоценимым средством для раннего обнаружения и прогноза неврологических расстройств при различных заболеваниях, таких как инсульт, опухоли головного мозга, последствия черепно-мозговой травмы, а также рассеянный склероз и другие демиелинезирующие заболевания.

Исследования показывают, что зрение нам доставляет 70% информации, слух – 15% и осязание – 10%. Раннее определение степени дисфункции трех наиболее важных сенсорных чувств и объективизация состояния сенсорных функций методом ВП является, таким образом, жизненно важным для применения адекватного лечения различных заболеваний.

1.1 Актуальность.

Анализ фоновой электроэнцефалограммы (ЭЭГ) широко применяется в клинической практике, а появившаяся в последнее десятилетие возможность

анализа количественных характеристик ЭЭГ существенно расширила возможности данного метода для диагностики и исследования состояния центральной нервной системы (ЦНС). В настоящее время идет поиск стандартизированных показателей ЭЭГ, позволяющих оценить функциональное состояние ЦНС. Анализ спектральных характеристик ЭЭГ позволяет оценить динамику работы больших нейронных популяций и их взаимодействия. Но, если анализ спектров мощности ЭЭГ распространен уже и в клинической практике, то межканальная когерентность используется довольно редко.

Когерентность ЭЭГ дает информацию о степени взаимодействия между двумя сигналами и, следовательно, о межрегиональной синхронизации. Поскольку считается, что сигнал ЭЭГ под каждым из электродов отражает активность нейронов в данной области, то когерентность, в таком случае, может являться мерой взаимодействия между двумя нейронными популяциями. Некоторые авторы полагают, что когерентность ЭЭГ в некоторых случаях является более чувствительным измерением высших когнитивных функций, чем, например, амплитуда ЭЭГ.

1.2. Цель работы.

Целью настоящей работы является:

• изучение основных вызванных потенциалов (ВП), методов их регистрации.

• анализ сигнала ЭЭГ, спектральный анализ, подавление шумов в сигналах ЭЭГ, цифровая фильтрация сигналов.

• разработка БТМС прибора регистрации сигналов ЭЭГ.

• Обоснование требований к основным узлам прибора.

2.Вызванные потенциалы (ВП).

Вызванными потенциалами называются биоэлектрические сигналы, которые появляются с постоянными временными интервалами после определенных внешних воздействий.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА: Ричард Катон в 1875 году впервые показал, что в мозгу возникают электрические потенциалы в ответ на стимуляцию какого либо сенсорного органа. Внедрение сдерживалось трудностью регистрации, т.к. из-за малой амплитуды, ВП маскировались ритмами спонтанной ЭЭГ. Широкое применение и развитие получили в 50х-60х годах XX века. Пионером считается Дж. Даусон, который изобрел прибор для автоматического выделения ВП с помощью суммации.

КЛАССИФИКАЦИЯ: различают 5 классов таких потенциалов:

1. Сенсорные ВП.

2. Моторные ВП.

3. Потенциалы с большим латентным периодом, связанные со

сложными психологическими факторами.

4. Сдвиги постоянного потенциала.

5. Потенциалы немозгового происхождения.

Сенсорные ВП в свою очередь подразделяются в зависимости от модальности на зрительные, соматосенсорные, слуховые и в зависимости от периода времени анализа (иначе говоря времени возникновения потенциала после стимула) на коротколатентные (мозгового ствола), средне- и длиннолатентные.[6]

МЕТОДИКА

Устройство для регистрации ВП включает:

1. Стимулирующее устройство (фото- фоно- электростимулятор).

2. Блок усиления.

3. Аналогово-цифровой преобразователь.

4. Усреднитель (либо на базе персонального компьютера, либо от-

дельное устройство).

5. Регистратор (плоттер или принтер).

Суммация и усреднение. В течение определенного времени после подачи стимула (для коротколатентных ВП около 10 мсек, для длинно- и среднелатенных ВП не менее 500 мсек), производится вычисление амплитуд электроэнцефалограммы через временные интервалы, зависящие от частоты квантования (для средне- и длиннолатентных ВП 1-3 кГц, для коротколатентных 10 и более кГц). Полученные данные запоминаются и суммируются (суммация). В результате чего, амплитуда стабильно возникающих после стимула потенциалов неуклонно возрастает, а амплитуда ритмов спонтанной ЭЭГ в той же степени уменьшается. Таким образом отношение сигнала к "шуму" возрастает пропорционально квадратному корню из числа произведенных суммаций. Для получения истинных амплитуд ВП, амплитуда в каждой точке делится на число стимулов (усреднение). Как правило, для получения хорошо дифференцированного ВП достаточно 50-100 суммаций.[6]

ЗРИТЕЛЬНЫЕ ВП: наиболее часто исследуют ВП на вспышку света и обращение шахматного паттерна. Регистрирующие электроды располагают в проекционных зрительных зонах (на 2 см выше затылочного бугра и на

2 см в стороны от сагиттальной линии).

СОМАТОСЕНСОРЫЕ ВП: Возможно получение ССВП при раздражении любого периферического нерва. В клинической практике чаще используется срединный нерв. Интенсивность стимуляции- до появления отчетливых сокращений мышц кисти (по другой методике на 50-60 мкВ выше сенсорного порога). Поочередно слева и права. Регистрирующие электроды располагают над постцентральной извилиной, контрлатерально стороне стимуляции.

СЛУХОВЫЕ ВП: Для стимуляции используют звуковые щелчки. Регистрируют ВП в области конвекса.

СТВОЛОВЫЕ ВП: ВП возникающий в первые 10 мсек после стимула. По модальностям слуховые и соматосенсорные.

АТОМО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ: Возможно регистрировать ВП нервных стволов и нервных центров. В этом смысле нервными центрами можно считать ядра переключения афферентных и эфферентных путей, ретикулярную формацию ствола, подкорковые ганглии, специализированные области коры мозга. Нервный центр состоит из скопления нервных клеток из дендритов, нервных синапсов, аксонов, оканчивающихся в нервном центре или проходящих через него. Для примера возникновения ВП можно рассмотреть процесс генерации ответа коры на афферентный приток вызванный электрической стимуляцией ядра таламуса.[4]

Считается, что в генерации этого потенциала ведущая роль принадлежит потенциалам пирамидных клеток, расположенным в III-IV слоях коры. Т.к. в коре эти нейроны ориентированы параллельно друг другу и тангенциально (перпендикулярно) по отношению к поверхности коры то к ним применима модель диполя (диполь-проводник продолговатой формы, возникновение потенциала определенной полярности на одном конце которого вызывает развитие потенциала противоположной полярности на другом конце). В реальных условиях амплитуда, форма, полярность, длительность потенциала будут определяться пространственной ориентацией нейронов коры и подкорковых образований по отношению к регистрирующему электроду

2.1. Зрительные ВП.

Зрительные вызванные потенциалы (ЗВП) тестируют зрительные пути от сетчатки до зрительной коры (17-е поле). В качестве стимуляции чаще всего используется реверсивный  шахматный паттерн, который наиболее эффективно тестирует центральное, макулярное зрение. Генерируемый при этом ответ является наиболее стабильным и относительно простым по форме. Генератор основного компонента зрительных ВП располагается в коре, однако его характеристики (латентность и амплитуда) могут изменяться в результате поражения на любом участке зрительного пути – от сетчатки до самой зрительной коры. Обычно выделяют 3 основных колебания – N75, P100 и N145 (негативное с латентностью 75 мс, позитивное 100 мс и снова негативное на 145 мс). Основное внимание обращается на латентность и амплитуду компонента P100. Стимуляция выполняется монокулярно – для оценки проведения по прехиазмальным участкам слева и справа. Иногда может выполняться стимуляция полуполей зрения – для оценки ретрохиазмальных участков.

Зрительные ВП исследуются также в ответ на стандартную фотостимуляцию («вспышку») – обычно специальными светодиодными очками. В этом случае ответ также представляет из себя серию последовательных позитивных и негативных колебаний с определенной латентностью. Ответ на такую стимуляцию менее стабильный,  чем при стимуляции обращаемым шахматным паттерном, менее специфичен для оценки макулярного зрения, в большей степени является функцией освещенности. Однако зрительные ВП на вспышку обладают одним важным преимуществом перед шахматным паттерном – они не требуют кооперации пациента, могут регистрироваться у младенцев, а также пациентов БИТ или интраоперационно.

Рис.1 Анатомия зрительной системы [3].

I — глазное яблоко, проводящие среды, хрусталик, сетчатка;

II — хиазма;

III — зрительный тракт и отхождение афферентации в таламус и средний IV— латеральные коленчатые тела (ЛКТ);

V — оптическая радиация;

VI — затылочная извилина и шпорная борозда.

Регистрация производится электродами над затылочной корой – слева, справа и сагиттально (O1, O2 и Oz). В зависимости от задач выполняется монокулярная стимуляция или стимуляция полуполей зрения поочередно слева и справа. Для выделения ответов из ЭЭГ подается обычно около 100-200 стимулов частотой 1 в секунду, с усреднением ответов во временном интервале 250-500 миллисекунд.

Нарушение проведения приводит к увеличению латентности и/или снижению амплитуды компонента P100. Изменения неспецифичны. Имеются данные о том, что выраженная задержка компонента в большей степени, чем снижение амплитуды может служить косвенным признаком преимущественного демиелинизирующего характера процесса, тогда как атрофия зрительного нерва вызывает в первую очередь снижение амплитуды. Поскольку зрительные ВП тестируют проведение от сетчатки до 17-го поля, нормальные зрительные ВП не исключают поражения за пределами первичной зрительной коры, в частности ответы могут быть нормальными при «корковой слепоте».

Рис.2 Пример нормальных зрительных ВП (траса 1, вертикальным курсором отмечена латентность пика в 105 мс) и увеличения латентности компонента P100 у пациента с рассеянным склерозом (траса 2). В обоих случаях четко идентифицируются все пики - N75, P100 и N145[3].

3. Электроретинограмма.

Электроретинограмма (ЭРГ) — запись потенциалов с сетчатки (ретины). В кли­нической практике ЭРГ обеспечивает объективную, достаточно чувствительную оценку функции сетчатки. ЭРГ генерируется после предварительной темновой адаптации при стимуляции вспышкой света и отражает цепь электрических ответов в форме градуальных потенциалов, возникающих от фоторсцепторов.

Условия стимуляции. ЭРГ записывается при подаче довольно короткой вспышки до 10мс. Интенсивность вспышки и условия ее предъявления являются важным показателем для записи ЭРГ. При менее яркой вспышке понадобится большее число усреднений для выделения ЭРГ. Обычно применяют вспышку от газоразрядной лампы.