Диссертация (Парциальные спектры спонтанной активности головного мозга человека), страница 8

Диаметр катушки был равен 2.3 см, среднее расстояние между центрамикатушек около 2.9 см. Датчики равномерно покрывали всю поверхность головы иразмещались над поверхностью шлема в нижней части дьюара. Аудиторныйстимул подавался с частотой 7.4 Гц на левое ухо здорового испытуемого, веласьзапись стимула. Профиль стимула представлял собой плато длительностью,равной половине периода.Проводилосьсравнениеэтихданныхсрезультатамиизмерений,выполненных на тестовой одноканальной системе, смонтированной в НИЦ«Курчатовскийинститут».Системапредставляетсобойодноканальныйградиометр второго порядка по оси Z с диаметром катушек 0.8 см и базой 3 см.При этом на каждом уровне число витков удвоено, так что итоговыекоэффициенты при магнитной индукции, измеренной на разных уровнях, равны{2, −4, 2}.

В результате прибор измеряет конечную разность магнитной индукциивторого порядка, взятую вдоль оси градиометра. Это позволяет частичноизбавиться от внешних шумов, а также уменьшить вклад от глубоких источниковспонтанной активности головного мозга. Измерения проводились в алюминиевойкамере. Изучалась как спонтанная активность мозга, так и вызванные магнитныеполя.50При экспериментах с тестовой системой ставились следующие основныезадачи:­ сравнениеодноканальныхэнцефалограммсимеющимисямногоканальными данными;­ получение данных об уровне шумов;­ созданиеметодоввыделениявызванныхмагнитныхполейвэкспериментах с внешней стимуляцией.Были рассмотрены спектры Фурье магнитоэнцефалограммы, полученной намногоканальной системе [69;80]. Для анализа были выбраны два канала – канал41 в затылочной части (зрительная кора, рисунок 2.1), и канал 110 расположенныйв височной области головы (слуховая кора, рисунок 2.2).

Оба спектра имеютхарактерный для работы мозга квазишумовой вид с широкими пиками в области10 Гц (альфа-ритм) и 20 Гц (бета- ритм).Рисунок 2.1 Амплитудный спектр канала 110 (височная часть) записиаудиторного эксперимента, сделанной на магнитометре Magnes 2500 WH. Частотадискретизации 0.5 кГц, длительность записи 300 секунд, аудиторный стимул,глаза закрыты.

Спектр рассчитан за 150 секунд записи51При этом на спектре канала 110 («слухового») хорошо видны несколькогармоник частоты подачи стимула (7.4 – основная, 14.8, 22.1, 29.5, 36.9, 44.3).Особенно выделяются гармоники, начиная с четвертой, так как на частотах с выше25Гц спонтанная активность мозга относительно невелика.Рисунок 2.2 Спектр канала 41 (затылочная часть) записи аудиторногоэксперимента, сделанной на магнитометре Magnes 2500 WH. Частотадискретизации 0.5 кГц, длительность записи 300 секунд, аудиторный стимул,глаза закрыты. Спектр рассчитан за 150 секунд записи.Все спектры временных рядов, полученных на одноканальном градиометреНИЦ «Курчатовский институт», также имеют вид, характерный для спектровэнцефалограмм (рисунок 2.3).

В ряде спектров хорошо виден альфа-ритм, иногдазаметны низкочастотные пики (дельта-ритм). Следует отметить высокий уровеньвнешних по отношению к мозгу шумов, выраженных на спектрах в виде узкихпиков на гармониках некоторых основных частот (например, 20 Гц, 40 Гц и т.п.).52Рисунок 2.3 Одноканальный спектр спонтанной активности, полученный наградиометре НИЦ «Курчатовский институт». Частота дискретизации 1кГц,длительность записи 300 секунд, без стимула, глаза закрыты, данные сняты сзатылка на средней линии, 5 см выше иниона. Спектр рассчитан за 150 секундзаписи.При анализе энцефалограмм следует учитывать, что головной мозгодновременно решает множество задач.

Это проявляется в сложной структуресуммарной магнитной активности и приводит к необходимости выделения еекомпонент, отвечающих разным процессам обработки информации.Поскольку вызванные поля в несколько раз слабее спонтанной активности,для их очистки применяется усреднение по опорным точкам. Этот подход доказалсвою эффективность во многих экспериментах и широко используется вэнцефалографии.Приусредненииполезнымсигналомпоследовательность магнитных полей m(t, k ), регистрируемыхвсчитаетсярезультатеизучаемой активности головного мозга, а аддитивным шумом χ(t, k) считаетсявся активность мозга, не связанная с проявлением изучаемой нами в данном53эксперименте.

После L-кратного повторения стимула и регистрации отклика нанего, отношение сигнал/шум увеличивается в √ раз после усреднения:11( , ) + ̅( , ) = ∑ ( , ) + ∑ ( , )2=1(2.1)=1где – i-я точка по времени в отклике на l-ый стимул, k – номер канала, =1, … , – номер отсчета по t в полезном сигнале.В поставленных нами экспериментах велись записи визуальных стимулов,подававшихся при помощи включения/выключения монитора. Оказалось, что этизаписисильнозашумлены,причемкакнизкочастотными,такивысокочастотными шумами. В то же время, на записях хорошо виднывременные диаграммы стимулов, что позволяет вручную найти моменты их началаи окончания.Для автоматического нахождения опорных точек был предложен следующийалгоритм.

На первом этапе при помощи медианной фильтрации запись стимулабыла очищена от точечных высокочастотных шумов. Проведена оптимизацияфильтра по ширине окна в диапазоне от 3 до 11 точек по времени. Было найдено,что при ширине окна, равной 7 точкам, такая фильтрация надежно подавляет узкиевыбросы, оставляя неизменным положение передних и задних фронтов стимулов.На втором этапе для выделения фронтов берется первая конечная разность отполученной функции.

Результат обработки в сравнении с исходной записьюпоказан на рисунке 2.4. Легко показать, что передние фронты стимулов теперьбудут отмечены резкими минимумами, а задние фронты – максимумами, исоответствующие им моменты времени могут быть найдены программнымисредствами.54Рисунок 2.4 Запись стимула (F1) и рассчитанные профили (F2)2.2.2. Анализ отклика слуховой коры в условиях сильных магнитныхпомехДанные магнитной энцефалографии были получены на двух типах приборовс использованием одинаковых экспериментальных протоколов на одном и том жеиспытуемом. В первом варианте эксперимента использовался 275-канальныйградиометр третьего порядка, установленный в больнице Бельвью, в ЦентренейромагнетизмаМедицинскогофакультетаНью-Йоркскогоуниверситета.Измерительная установка расположена в помещении, изолированном от внешнихмагнитных полей.

Внешний звуковой стимул задавался высокоточным аналоговымгенератором, второй выход которого был связан с референсным каналомэнцефалографа. Во втором варианте эксперимента использовался семиканальныйградиометр второго порядка, установленный в НИЦ «Курчатовский институт»,г.Москва. Испытуемый и измерительный прибор размещались в улиткообразнойкамере из алюминия.

В качестве генератора звукового стимула использовался55независимый от системы записи энцефалографических данных персональныйкомпьютер с установленной на нём высококачественной звуковой картой «XonarSound Essense».Во время измерений в Нью-Йоркском университете испытуемый сидел вкресле с закрытыми глазами. В качестве аудиторного стимула использоваласьнепрерывная последовательность «кликов» частоты 1 кГц, следовавших друг задругом с частотой 14 Гц. Стимул подавался в левое ухо испытуемого по звуководу,правое ухо испытуемого было акустически изолировано от внешней среды припомощи специальной затычки.

Регистрация активности велась в течение 15 минутс частотой дискретизации 1200 Гц. Были проведены измерения спонтанной ивызванной активности мозга. Измерения спонтанной активности велись в течение7 минут. В экспериментах, проводившихся в НИЦ "Курчатовский институтиспытуемый лежал с закрытыми глазами на левом боку, градиометр размещалсянад височной областью с правой стороны головы. Звуковой стимул подавался влевое ухо испытуемого по звуководу, правое ухо было акустически изолировано отвнешней среды при помощи специальной затычки.

В качестве аудиторного стимулаиспользовалась непрерывная последовательности «кликов» частоты 1 кГц,следовавших друг за другом с частотой 14 Гц. Регистрация активности велась втечение 5 минут с частотой дискретизации 1000 Гц. Были проведены измеренияспонтанной и вызванной активности мозга. Обработка данных.

Был вычисленмногоканальный спектр в полосе частот 1.5-100Гц. Был выбран канал смаксимальной величиной амплитуды в районе частоты стимула и по нему методомтонкой подстройки была найдена частота стимула, равная 14.0907 Гц. Наполученной частотной сетке был рассчитан точный многоканальный спектр и былапроведена локализация отклика на второй гармонике стимула.Экспериментальные данные магнитной энцефалографии представляют собоймногоканальные данные большой продолжительности, причем изучаемая в даннойработе вызванная активность мозга составляет лишь небольшую долю общей56регистрируемой энергии.

Даже в хорошо очищенных от шумов многоканальныхданных искомая активность соответствует одной тысячной общей энергии, а вусловиях относительно слабой изоляции от внешних магнитных полей валюминиевой камере эта доля еще меньше. Очистка и анализ таких слабыхсигналов требует использования методов, специально разработанных для данныхмногоканальных измерений [81;82]. В работах [79;81] был предложен новый методанализамногоканальныхвременныхрядов.Методоснованнаточномпреобразовании Фурье и анализе когерентности восстановленных временныхрядов для всех частотных компонент. При анализе магнитных энцефалограммспонтанной и вызванной активности головного мозга человека было найдено, чтоточный многоканальный спектр Фурье содержит большое количество гармоник свысокой когерентностью. Для таких гармоник обратная задача может быть решенас высокой точностью, что определяет перспективность метода в задачах изученияи отображения активности мозга.В частности, для идентификации и выделения магнитных полей мозга,вызванных с помощью ритмической стимуляции, применяется тонкая подстройкасетки частот для преобразования Фурье [79;81].Пусть – время измерения некоторого сигнала, а – частотадискретизации, – количество отсчетов времени измерения, тогда временноеразрешение = 1/ .