Системи для дослідження головного мозку

До систем для дослідження головного мозку можуть бути віднесені електроенцефалографічні, реоенцефалографічне, різні системи томографій і ряд інших. Тут ми обмежимося розглядом електроенцефалографічних систем.

Комп'ютерна електроенцефалографія.

Методи автоматичної обробки ЭЭГ в клінічних дослідженнях пов'язані з рішенням наступних завдань:

— аналіз фонової активності (ЭЭГ розглядається як сума безперервних процесів);

— кількісна оцінка специфічних патернів (гострих хвиль, комплексів пік-хвиля, К-веретен і т. д.);

— оцінка викликаної активності. До методів оцінки фонової активності в першу чергу відносять:

— частотний (спектральний) аналіз ЭЭГ;

— кореляційний аналіз;

— періодометричні методи.

Частотний аналіз ЭЭГ виконується за допомогою набору фільтрів, смуги пропускання яких відповідають фізіологічним ритмам ДЕЛЬТА - (0.35-4.2) Гц; ТЕТА - (4.5-7.4) Гц; АЛЬФА -(7.7-13.4) Гц; БЕТА - (13.7-30) Гц; ГАММА - (31-70) Гц. Фільтри вибірково виділяють тільки ті складові ЭЭГ, частоти яких відповідають смузі пропускання. Це дозволяє оцінювати ступінь вираженості різних ритмів в аналізованій ЭЭГ, а також зміна їх в часі і при різних діях. Просторові співвідношення біоелектричної активності мозку досліджують у формі карт томографії голови, критерієм побудови яких є зміна різних параметрів ритмів ЭЭГ (фаза, період, амплітуда і т.д.).

Глибший частотний аналіз, званий спектральним аналізом, дозволяє отримати повну інформацію про частотний склад ЭЭГ. Зазвичай обчислюють енергетичний спектр, що відображає розподіл потужності по частотах, і взаємний комплексний спектр, що дозволяє судити про зв'язок двох процесів і їх фазові співвідношення.

При аналізі спектрів потужності сигналу найчастіше використовують параметри: середню частоту спектру, що враховує вагу всіх частотних складових ЭЭГ; ефективну смугу частот, що характеризує величину розмитості спектру щодо середньої частоти; середню потужність. Для оцінки вираженості окремих частотних компонентів ЭЭГ обчислюють відношення амплітуди кожного піку, виділеного в спектрі, до середньої потужності. Це дає можливість кількісно оцінювати співвідношення даного ритму з іншими частотними складовими ЭЭГ, а також зіставляти ступінь враженості аналізованої частоти в різних відділах мозку.

При кореляційному аналізі фонової активності досліджують як автокореляційну, так і кореляційну функції. Побудова і аналіз автокореляційної функції є могутнім засобом виділення гармонійних коливань в квазіперіодичному процесі, до якого може бути віднесений ЭЭГ-сигнал. Обчислення кореляційної функції двох ЭЭГ-сигналів дозволяє оцінювати ступінь зв'язку біоелектричних процесів в різних точках головного мозку, тимчасові зрушення залежності між процесами і виділяти загальні періодичні складові. Це особливо важливо для вивчення механізмів і шляхів функціональних зв'язків між активністю різних відділів мозку.

Періодометрічеськие методи простіші і дозволяють організувати обробку ЭЭГ в реальному масштабі часу. До них відносяться перш за все методи, засновані на представленні кожного аналізованого сигналу у вигляді елементарних коливань, що характеризуються певною тривалістю і амплітудою. Виділення цих хвиль проводиться різними способами: по перетину нульової лінії, по локальних екстремумах, по послідовності локальних екстремумів і додатковим обмеженням, пов'язаним з їх відносною амплітудою і місцеположенням. В результаті використання різних алгоритмів сегментації кривої ЭЭГ визначаються середня частота, середня амплітуда, відносний часовий індекс виділеного ритму, а також співвідношення повільних і швидких компонентів ЭЭГ. Повнішу інформацію про тип фонової активності можна отримати, розглядаючи разом з перетинами нульової лінії самим процесом перетину нульової лінії її похідними.

Особливе значення для клінічних досліджень має розпізнавання і аналіз функціонально значущих патернів, наприклад, у разі контролю появи епілептичних спайков і гострих хвиль одночасно по всіх каналах обробки ЭЭГ. Завдання автоматичного розпізнавання патернів вирішується різними способами:

— на основі аналізу параметрів напівхвиль ЭЭГ, що виділяються;

— з використанням оптимальної фільтрації сигналу;

— методами зворотної фільтрації. У клінічних умовах дослідження викликаної активності пов'язане в основному із завданням класифікації результатів електрофізіологічного обстеження і проводиться, як правило, з використанням методу синхронного накопичення викликаних потенціалів (ВП). Попереднім перетворенням тут є усереднювання ВП, яке повинне бути строго синхронізоване щодо стимулу, реакції або від будь-якого іншого вибраного опорного моменту (наприклад, характерної зміни якого-небудь біосигналу). При цьому усереднювання може проводитися строго послідовно, вибірково, з відсівом артефактів, попередньою фільтрацією або згідно деякій складній логічній умові. Вимоги до частотного діапазону (від 100 Гц для повільних ВП до 10 Кгц для стволових ВП) і розміру епохи аналізу (від 10 з для повільних ВП до 10 мс для стволових ВП) знаходяться на межі можливостей апаратури, тому задовольняються лише при ретельній програмній реалізації.

Всі розглянуті методи обробки ЭЭГ широко використовуються в системах автоматизації клінічних і експериментальних нейрофізіологічних досліджень.

Електроенцефалографічні МПКС. В даний час вітчизняними фірмами випускається декілька сучасних електроенцефалографів, близьких по своїх характеристиках. Це, зокрема, електроенцефалографічна система «Сопап», електроенцефалограф «МИЦАР-ЭЭГ», «Нейрон-Спектр-3»; аналізатори комп'ютерні «Енцефалет 131-01 » і «РИСТА 131 ЭЭГ», комплекс комп'ютерний «Нейровіза», система «Нейрокартограф», цифровий комп'ютерний електроенцефалограф «НейроВизор-24» і ряд інших.

Системи для дослідження головного мозку розглядатимемо на прикладі електроенцефалографа «Телепат-104 Д» (000 «Потенціал», Спб). Енцефалограф «Телепат-104Д» — це приборно-комп’ютерна система для дослідження біоелектричної активності головного мозку. Вона призначена для реєстрації і обробки електроенцефалограм і дозволяє здійснювати функціональну діагностику і проводити контроль ефективності лікувально-профілактичних заходів в нейрофізіології, нейрохірургії, педіатрії, анестезіології і реанімації, спортивній медицині і в інших областях охорони здоров'я. Система дозволяє проводити: електроенцефалографію максимально в 28 відведеннях, фотостимуляцію і реєстрацію викликаних потенціалів. Методики реєстрації і обробки енцефалограм відповідають міжнародним стандартам.

Апаратна система виконана у вигляді двох стійкий: біопідсилювачів і фотостимулятора. Система компактна і допускає можливість розміщення на стелажі або письмовому столі. Обидві стійки підключаються до стандартного комп'ютера класу IBM РС з процесором типу 386 і вище. Підключення здійснюється за допомогою інтерфейсної плати, що встановлюється в роз'ємі розширення комп'ютера. Інтерфейсна плата містить високоякісний аналого-цифровий перетворювач. Точність і стабільність вимірювань забезпечується застосуванням електродів, що не поляризуються, і прецизійних малошумлячих підсилювачів. Висока перешкодозахисна дозволяє проводити обстеження в неекранованих приміщеннях за рахунок використання режекторного фільтру, що відключається, 50 Гц і автоматичного блокування невживаних входів підсилювачів. У системі забезпечений захист пацієнта від небезпечної напруги і струму за рахунок гальванічної розв'язки.

Програмне забезпечення системи виконане на рівні сучасних вимозі до інтерфейсу з користувачем (система меню, графічне представлення інформації, контекстна залежна підказка і т. п.). Операційна система Windows 98/2000.

На етапі підготовки обстеження можна здійснити вибір з семи стандартних методик (монтажів) знімання ЭЭГ або надається можливість сформувати поканально будь-яке поєднання відведенні. Далі встановлюється необхідна кількість реєстрованих відведенні (каналів). Здійснюється програмне управління роботою енцефалографа — індивідуальна настройка біопідсилювачів (встановлюються верхня і нижня межі смуги пропускання, частота дискретизації, коефіцієнти посилення). У разі автоматизованого проведення обстеження встановлюються тривалість і кількість фрагментів запису. При необхідності встановлюються параметри фотостимуляції (тривалість і частота спалахів). Крім того, на цьому етапі задаються режими відображення ЭЭГ на екрані монітора (швидкість перегляду, вигляд).

При проведенні обстеження забезпечується оперативний контроль проведення дослідження, тобто графічне відображення на екрані монітора енцефалограм в режимі реального часу. У цих умовах проводиться перевірка якості накладення електродів. Запис ЭЭГ можливо здійснювати як в режимі ручного управління (з клавіатури ЕОМ), так і в автоматичному режимі зі встановленими раніше параметрами. Включення фотостимулятора виконується з клавіатури.

На етапі перегляду і коректування даних надаються можливості вибору ділянки кривою для подальшої обробки і виключення артефактів. Ці процедури здійснюються за допомогою горизонтального і двох вертикальних маркерів. При перегляді можлива зміна вертикального і горизонтального масштабів зробленому запису і визначення цифрових значень амплітуд ЭЭГ в крапках, що цікавлять.

Обчислювальний аналіз передбачає обчислення спектрів, побудова колірних карт для всіх ритмів (топограм), динамічне відображення викликаних потенціалів, побудова гістограм, когерентний аналіз і розрахунок індексів ЭЭГ.

Оформлення висновку здійснюється за допомогою вибору адекватних формулювань з послідовно пропонованих у вікнах меню, що змінялися автоматично. Вибрані формулювання автоматично включаються в текст підсумкового документа, після закінчення вибору текст може бути підданий редагуванню і доповнений по розсуду лікаря. Збереження результатів дослідження передбачене в електронному архіві і на папері. Один архівний запис займає об'єм близько 50 Кбайт.