Сахаров В.Л., Андреенко А.С. - Методы математической обработки электроэнцефалограмм

Сахаров В.Л., Андреенко А.С.МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММТаганрог "Антон"20002С 2234.9УДК 615.471:616-073.97:616.831Рецензент: к.т.н., доцент каф. МПС ТРТУ Максимов А.В.Сахаров В.Л., Андреенко А.С.С 22 Методы математической обработки электроэнцефалограмм:Учебное пособие. - Таганрог: "Антон", 2000.-44 с.:ил.ISBN 5-88040-025-5В пособии рассмотрены различные математические методы обработки и анализаэлектроэнцефалограмм. Приведены основные параметры электроэнцефалографическогосигнала и методы регистрации сигнала и его физиологические особенности. Предложеныосновные алгоритмы компьютерной обработки электроэнцефалограммы.ББК 34.9ISBN 5-88040-025-5 Сахаров В.Л., Андреенко А.С., 2000.31. Общие сведения об ЭЭГМозг человека, механизмы его деятельности привлекают внимание исследователей самыхразных специальностей.

Объективному изучению функций мозга человека положил начало И.М.Сеченов, опубликовавший в 1863 году книгу “Рефлексы головного мозга”, где впервые былпоставлен вопрос о закономерности объективного физиологического подхода к механизмампсихической деятельности /3/. Электроэнцефалография как метод исследования головного мозга,основанный на регистрации его электрических потенциалов, зародилась в начале XX века. Началоэры электроэнцефалографии связывают с именем австрийского психиатра Ганса Бергера, которыйвпервые осуществил в 1928 году регистрацию электрических потенциалов головного мозга учеловека, используя скальповые игольчатые электроды. В его же работах было приведено описаниеосновных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека и их изменения при различныхфункциональных пробах и патологических проявлениях в мозге. Дальнейшие успехиэлектроэнцефалографии были связаны с разработкой многоканальных высокочувствительныхчернильнопишущих электронных приборов, позволявших производить стандартные исследования упациентов.

А в наше время большой успех приобрели компьютерные системы, позволившие сделатькачественно новый шаг в диагностике, и использующие для этого сложные математические методы.Между двумя точками мозга, а также между точками мозга и удаленными от него тканямиорганизма возникают переменные разности потенциалов, регистрация и анализ которых и составляютзадачу электроэнцефалографии. Возбуждение нервных элементов, согласно современнымпредставлениям, возникает в результате процесса их поляризации и деполяризации. Благодаряизбирательной проницаемости оболочки нервной клетки по отношению к возникающим потенциаламв состоянии покоя на наружной стороне оболочки нервной клетки устанавливается положительныйзаряд, а на внутренней - отрицательный /2/.Возникающие при непрерывно происходящей поляризации и деполяризации различныхнервных элементов головного мозга биоэлектрические токи взаимодействуют между собой и даютсложную интерференционную кривую ЭЭГ /21/. Пример ЭЭГ приведен на рис.1.Рис.1.

Пример электроэнцефалограммы4Основной задачей специалиста, проводящего электроэнцефалографическое обследование,является выделение на ЭЭГ значимых признаков, идентификация их параметров и, далее,составление на их основании заключения. Одним словом этот процесс называется анализом ЭЭГ.2. Основные параметры электроэнцефалографического сигнала••••Как для любого колебательного процесса, основными понятиями, на которые опираетсяхарактеристика ЭЭГ, являются частота, амплитуда и фаза. Поскольку ЭЭГ представляет собойслучайный процесс, на каждом участке записи встречаются волны различных частот, и смысломанализа является выделение так называемых частотных ритмов из энцефалографического сигнала /1/.Под понятием частотный ритм ЭЭГ подразумевается определенный тип электрической активности,соответствующий некоторому состоянию мозга, для которого определены границы диапазона частот.Наиболее часто для анализа используются четыре основных ритма.Дельта-ритм.

Частота 0.5-3 Гц, амплитуда, как правило, превосходит 40 мкВ, иногда при сильныхпатологиях может достигать 300мкВ.Тета-ритм. Частота 4-6 Гц, амплитуда такая же, как и у дельта-ритма.Альфа-ритм. Частота 8-13 Гц, амплитуда до 100мкВ. Является наиболее информативным и, вбольшинстве случаев, доминирующим при анализе ЭЭГ. Лучше всего выражен в затылочныхотделах. По направлению к лобным отделам его амплитуда уменьшается. Наибольшую амплитудуальфа-ритм имеет в состоянии спокойного расслабленного бодрствования, особенно при закрытыхглазах.

В большинстве случаев достаточно регулярно наблюдаются спонтанные измененияамплитуды, так называемые модуляции альфа-ритма, выражающиеся в чередующемся нарастании иснижении амплитуды волн с образованием характерных “веретен” - амплитудно-модулированныхколебаний ЭЭГ, длительность которых может быть от 2 до 8 секунд.Бета-ритм.

Частота 14-35 Гц, амплитуда в норме не более 15 мкВ.Существуют еще так называемые Мю-ритм и Гамма-ритм, но они на данный момент не имеютдиагностической ценности и в дальнейшем рассматриваться не будут.Помимо понятия ритм в электроэнцефалографии используется термин феномен. Под нимподразумевается участок записи, отличающийся по своим параметрам от фоновой записи и имеющийдиагностическую ценность при анализе.

Наиболее известными и важными среди них являютсяэпилептическая активность, пики, или спайки, медленные волны, комплексы пик – волна и остраяволна - медленная волна.Эпилептическая активность (иначе судорожная активность). Эти колебания подразумеваютсвязь их с мышечными судорогами и судорожными приступами, возникающими при эпилепсии.Одной из основных особенностей мозга при эпилепсии является свойство нейронов давать болееактивные реакции возбуждения и вступать в синхронизированную активность. Процесссинхронизации активности нейронов приводит к нарастанию амплитуды волн на ЭЭГ в результатесуммации во времени амплитуд синфазных колебаний. В случае, если разряды отдельных нейроновочень плотно группируются во времени, помимо нарастания амплитуды наблюдается уменьшениедлительности суммарного потенциала, что приведет к образованию высокоамплитудного, нокороткого феномена - пика.

Именно такого рода потенциалы и соответствуют эпилептическойактивности на ЭЭГ.Пик, или спайк. Соответствуя названию, этот потенциал имеет пикоподобную форму.Длительность его 5-50 мс. Амплитуда, как правило, превосходит амплитуду фоновой активности иможет достигать сотен и даже тысяч микровольт. Иногда пики группируются в короткие или болеедлинные пачки, образуя феномен, носящий название “множественные пики”.5Близким по происхождению феноменом, свойственнымэпилептическомусиндрому,является острая волна. Внешне она напоминает пик и отличается от него только растянутостью вовремени.

Длительность острой волны более 50 мс. Амплитуда может достигать тех же значений, чтои амплитуда пиков.Учитывая вышеперечисленные особенности ЭЭГ можно отметить, что при ее исследованиивыполняются следующие процедуры:- съем ЭЭГ;- фильтрация и подавление помех и артефактов;- определение интегральных характеристик ЭЭГ с помощью визуальной оценки и сприменением методов математической обработки;- формирование заключения с отнесением ЭЭГ к некоторому варианту нормы или кпатологическому классу.3.

Методы съема сигнала и его физиологические особенностиПри энцефалографическом исследовании важно получить информацию не с какой-тоотдельной точки головы, а представить полную картину распределения биопотенциалов в головноммозге. Поэтому обычно используют 8, 10, 16 или 19 отведений, которые располагаются на голове поспециальным схемам (о них сказано далее в этом разделе) и охватывают все отделы головного мозга.Таким образом, обработка ЭЭГ производится одновременно по нескольким отведениям взависимости от числа входных каналов используемого энцефалографического усилителя и схемразмещения электродов.Как уже отмечалось, ЭЭГ представляет собой разность потенциалов между двумя точкамиповерхности головы обследуемого.

Прибор для регистрации ЭЭГ называется электроэнцефалограф.Соответственно на каждый канал регистрации подаются напряжения, отведенные двумя электродами,один из которых является положительным, или активным, а другой - отрицательным, илиреферентным. Электроды для энцефалографии представляют собой хлорсеребряные либо угольныепластины. Важнейшим требованием к материалу, из которого изготовляют электроды, являетсяотсутствие поляризации в процессе регистрации. Явление поляризации связано с тем, что вследствиеэлектрохимических процессов в области контакта электрода с кожей на электроде накапливаетсяизбыток ионов, что приводит к включению в запись колебаний постоянного потенциала, резкоискажающих регистрацию.

Поэтому в качестве материала для энцефалографических электродовиспользуют серебро или уголь, являющиеся наилучшими для этих целей. Обычно диаметр электрода,имеющего форму диска, составляет около 1 см.Как правило, для закрепления электродов на голове обследуемого используется специальныйрезиновый шлем, размер которого может варьироваться в зависимости от объема головыобследуемого.Методика обработки ЭЭГ использует два вида получаемого сигнала, так называемые,монополярный и биполярный съем. Суть монополярного съема в том, что все отведения с головырегистрируются относительно одной точки, называемой референтной.

Она, как правило,располагается либо на ухе (или на обоих ушах), либо на лбу, либо на затылке пациента. Биполярныйсъем подразумевает регистрацию разницы потенциалов любой пары точек с головы пациента. Этоосуществляется либо путем коммутации соответствующих аналоговых каналов внутри самогоэнцефалографа, либо с помощью математических методов обработки сигнала в персональномкомпьютере. Как правило, энцефалографы первого типа имеют возможности формированияспециальных программ коммутации электродов при съеме, где можно задавать как возможностьмонополярного съема, так и несколько схем биполярного. Для отведения электроэнцефалограммы(ЭЭГ)используютразличныесхемырасположенияэлектродов.Вклинической6••••••••••электроэнцефалографиииспользуют международную систему “10-20”, а такжемодифицированные схемы с уменьшенным количеством электродов.Для получения наиболее достоверной информации при энцефалографическом исследованиинеобходимо соблюдение некоторых общих правил.

Так как ЭЭГ отображает уровеньфункциональной активности мозга и весьма чувствительна к изменениям уровня внимания,эмоциональному состоянию, воздействию внешних факторов, пациент во время исследования долженнаходиться в свето- и звукоизолированной комнате. Во время обследования положение пациентадолжно быть удобным, мышцы расслаблены. Необходимость расслабления, помимо обеспечениямаксимального покоя обследуемого, обусловлена тем, что напряжение мышц, особенно головы ишеи, сопровождается появлением мышечных артефактов в записи. Артефакт - запись всякогопостороннего процесса, не являющегося непосредственным выражением электрической активностиголовного мозга.