Лекция 24 ноября

ЭЭГ

Электроэнцефалография (ЭЭГ) — метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов.

• ЭЭГ представляет собой сложный колебательный электрический процесс, который может быть зарегистрирован при расположении электродов на мозге (электрокортикография) или на поверхности скальпа (собственно электроэнцефалография), и является результатом электрической суммации и фильтрации элементарных процессов, протекающих в нейронах головного мозга.

• Многочисленные исследования показывают, что электрические потенциалы отдельных нейронов головного мозга связаны тесной и достаточно точной количественной зависимостью с информационными процессами.

Задачи и методики ЭЭГ.

Назначение: исследование высшей нервной деятельности по электрическим сигналам, снимаемым с поверхности головы

Задачи:

• Исследование состояния мозга и его отделов

• Выявление патологий (например, очагов эпилепсии)

• Исследование психики

• Контроль глубины анестезии в хирургии

Методики:

• Регистрация фоновой активности (1 – 10 минут)

• Функциональные пробы (воздействие, стабилизация, регистрация 1- 5 минут) •Анализ вызванных потенциалов (многократная регистрация реакции на стимул и усреднение откликов)

• Исследование фаз сна (непрерывная запись до нескольких часов)

Первая регистрация ЭЭГ.

Австрийский психиатр Ганс Бергер в 1928 г. впервые осуществил регистрацию электрических потенциалов головного мозга у человека, используя скальповые игольчатые электроды

В его же работах были описаны основные ритмы ЭЭГ и их изменения при функциональных пробах и патологических изменениях в мозге.

Классификация ээг.

ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ:

1. Клиническая ЭЭГ

2. Физиологическая (психофизиологическая) ЭЭГ

Клиническая ЭЭГ – это исследования биоэлектрической активности головного мозга при заболеваниях (поражениях) головного мозга.

Основные направления:

• Эпилептологическая

• Неэпилептологическая

• ЭЭГ критических состояний (в отделении реанимации при острой церебральной недостаточности)

Физиологическая (психофизиологическая) ЭЭГ – это исследования в психологии и психофизиологии, в которых предметом рассмотрения выступает нейродинамика мозга здорового человека

СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ЭЭГ.

ЭЭГ – это электрофизиологический процесс, который обусловлен деятельностью множества генераторов

• Создаваемое этими генераторами поле неоднородно по пространству головного мозга и изменчиво в каждый момент времени. Поэтому между двумя точками, расположенными в пределах мозга, появляются переменные разности потенциалов, которые можно зарегистрировать

• Регистрация, возникающих в головном мозге биологических потенциалов и является основной задачей ЭЭГ

СИСТЕМА ОТВЕДЕНИЙ 10-20.

Международная система 10–20 – это признанный во всем мире метод расположения электродов на коже головы при проведении ЭЭГ-исследования

• Свое название получила благодаря тому, что расстояние от любого электрода до другого определяется как 10 или 20 % от индивидуально измеренных размеров головы

• Метод был разработан для поддержания стандартизированных методов, обеспечивающих возможность составления, воспроизведения, анализа и сравнения результатов исследований (клинических или исследовательских)

• Система 10-20 основана на взаимосвязи между расположением электродов и основной областью мозга, в частности коры головного мозга

• Система 10-20 рекомендована Международной федерацией электроэнцефалографии и клинической нейрофизиологии

МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА 10-20

• Fp1, Fp2 — переднелобные (prefrontal)

• F3, F4 — лобные (frontal)

• Fz — среднелобный

• С3, С4 — центральные (central)

• Cz — центральный вертексный

• Р3, Р4 — теменные (parietal)

• Pz — центральнотеменной

• F7, F8 — передневисочные

• Т3, Т4 — средневисочные (temporal)

• Т5, Т6 — задневисочные

• О1,О2 — затылочная (occipital)

• A1, А2 — ушные

МОНОПОЛЯРНЫЕ И БИПОЛЯРНЫЕ ОТВЕДЕНИЯ ЭЭГ

Монополярным называют отведение, когда на один из входов усилителя подается электрический потенциал от электрода, стоящего над определенной областью мозга, а на другой - потенциал от электрода, установленного на определенном удалении от мозга.

Электрод, расположенный над мозгом называют активным, рабочим (exploring). Электрод, удаленный от мозговой ткани, называют пассивным, референтным или индифферентным.

• Биполярным называют отведение, при котором к положительному и отрицательному входам усилителя присоединяют электроды, расположенные над мозгом. В этом случае, регистрируемый потенциал отражает разность потенциалов между двумя электродами, и вывод о форме колебаний потенциала под каждым из электродов сделать невозможно.

ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛОВ ЭЭГ

Характеристики сигнала ЭЭГ

• Диапазон частот: от 0 до ~100 Гц

• Амплитуда: от 5 до 300 мкВ

Характеристики каналов регистрации ЭЭГ

• Число каналов: от 1 до 40

• Полоса пропускания: 0,3 – 200 Гц

• Диапазон входного напряжения: ±10 - 15 мВ

• Уровень собственных шумов усилителя: 1 - 2 мкВ

• Частота АЦП: 250 – 5000 Гц

• Разрядность АЦП: не менее 12 бит

РИТМЫ ЭЭГ

• Частотный диапазон ритмических колебаний биопотенциалов, которые могут быть зарегистрированы на ЭЭГ и имеют диагностическое значение, лежит в интервале от 0,3 до 45 Гц.

• Согласно международной классификации, все колебания делятся на следующие частотные диапазоны, обозначаемые буквами греческого алфавита

Дельта-ритм — от 0,5 до 4 колебаний в сек., амплитуда — 40–300 мкВ. Этот ритм возникает при глубоком естественном или наркотическом сне, а также при коме.

• Дельта-ритм наблюдается и при регистрации электрических сигналов от участков коры, граничащих с областью травматического очага или опухоли.

• Низкоамплитудные (20–30 мкВ) колебания этого диапазона могут регистрироваться в состоянии покоя при некоторых формах стресса и длительной умственной работе.

• Характерен для стадии глубокого сна без сновидений и для состояния очень глубокой медитации (не релаксации, как при альфа-ритме).

Тета-ритм характеризуется частотой от 4 до 7 Гц.

• Обычно наблюдается у детей младшего возраста.

• Может встречаться у детей и взрослых в состоянии дремы или во время активации, а также в состоянии глубокой задумчивости или медитации.

• Избыточное количество тета-ритмов у пожилых пациентов свидетельствует о патологической активности.

• Может наблюдаться в виде очагового нарушения при локальных подкорковых поражениях.

Частота альфа-ритма находится в диапазоне от 8 до 14 Гц, амплитуда 30-70 мкВ, с возрастом амплитуда может снижаться.

• Он проявляется у более 90% здоровых людей. Наиболее высокую амплитуду имеет альфа-ритм, зафиксированный в спокойном состоянии человека, который находится в тёмном помещении с закрытыми глазами. Наиболее выражен в затылочной области.

• При зрительном внимании или мыслительной активности альфа-ритм частично блокируется или полностью прекращается.

Бета-ритм имеет частоту от 13 до 30 Гц, амплитуду 5-30 мкВ.

• Возникает при активном состоянии пациента. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга.

• Так, выраженность бета-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении.

Диапазон гамма-ритма варьирует от 30 до 120-180 Гц. Он имеет низкую амплитуду (2-10 мкВ).

• Если амплитуда гамма-ритма превышает 15 мкВ, то это свидетельствует о наличии нарушения деятельности головного мозга, в результате которого снижаются когнитивные способности пациента.

• Гамма-ритм наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания. Это ритм собранности и концентрации на проблеме или задаче, ритм активного собранного решения и работы.

• Существуют теории, связывающие этот ритм с работой сознания.

КЛИНИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫЕ СОБЫТИЯ

Помехи.

Наводка сетевого тока частотой 50 Гц

Артефакты движения электрода

Электромиограмма, накладывающаяся на ЭЭГ

ЗАДАЧИ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ

Коррекция артефактов • Автоматизированная коррекция артефактов путем обнуления соответствующих им составляющих

• Автоматическое и интерактивное выделение и исключение артефактов

• Ручная разметка артефактных фрагментов с возможностью их исключения из отображаемой ЭЭГ

Математическая обработка ЭЭГ

• Спектральный анализ

• Когерентный анализ

• Биспектральный анализ

• Корреляционный анализ

• Анализ методом независимых компонент (ICA)

• Групповая обработка полученных данных (усреднение, статистика, экспорт)

• Топографическое картирование результатов анализа

• Частотно-временное представление мощности ЭЭГ (вейвлет-анализ)

КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ФУНКЦИИ ЭЭГ

МАТРИЦА ЗНАЧЕНИЙ КВК

ВЫДЕЛЕНИЕ РИТМОВ ЭЭГ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ

ПЕРИОДОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Вычисляемые показатели:

• Процент содержания ритма в записи

• Процент модулированного ритма (не менее трех последовательно возрастающих или убывающих максимумов)

• Средняя нестабильность между соседними периодами в герцах

• Средние значения и среднеквадратические отклонения амплитуды и периода ритма

Анализ ЭЭГ.

Устранение помех.

Вид помехи	Метод устранения
Сетевая наводка 50 Гц (60 Гц)	Режекторные фильтры (в том числе адаптивные) Гребенчатые фильтры (подавление помехи и ее гармоник)
Миографическая помеха	Фильтры нижних частот (с частотой среза 20-40 Гц)
Артефакт ЭКГ	Адаптивная фильтрация Метод главных компонентов Метод независимых компонентов
Окулографические артефакты	Адаптивная фильтрация Метод главных компонент Метод независимых компонент Вейвлет-анализ
Артефакты электрокожного потенциала	Фильтры верхних частот (с частотой среза 0.5-1 Гц)

Методы частотного анализа ЭЭГ:

• Выделение ритмов

• Расчет спектральных показателей

• Взаимный спектр

• Когерентность

Выделение ритмов ЭЭГ.

Ритмы ЭЭГ:

• Альфа-ритм (частота – в границах от 9 до 13 Гц, амплитуда колебаний – от 5 до 100 мкВ), который присутствует почти у всех лиц, не предъявляющих претензий к своему здоровью, в период неактивного бодрствования (расслабление во время отдыха, релаксации, неглубокой медитации). Как только человек открывает глаза и пытается зрительно представить какую-либо картинку, α-волны уменьшаются и могут вовсе исчезнуть, если функциональная активность мозга будет дальше повышаться. При расшифровке ЭЭГ важны следующие параметры α-ритма: амплитуда (мкВ) над левым и правым полушарием, доминирующая частота (Гц), доминирование определенных отведениях (лобное, теменное, затылочное и т.п.), межполушарная асиметрия (%). Депрессию α-ритма вызывают тревожные состояния, страх, активация вегетативной нервной деятельности;

• Бета-ритм (частота находится в границах от 13 до 39 Гц, амплитуда колебаний – до 20 мкВ) – это не только режим нашего бодрствования, β-ритм характерен для активной мыслительной работы. В нормальном состоянии выраженность β-волн очень слабая, их избыток свидетельствует о незамедлительной реакции ГМ на стресс;

• Тета-ритм (частота – от 4 до 8 Гц, амплитуда располагается в пределах 20-100 мкВ). Эти волны отражают не патологическое изменение сознания, например, человек дремлет, пребывает в полусне, в стадии поверхностного сна, он уже видит какие-то сновидения, вот тогда и обнаруживаются θ-ритмы. У здорового человека погружение в сон сопровождается появлением значительного количества θ-ритмов. Усиление тета-ритма наблюдается при длительной психоэмоциональной нагрузке, психических расстройствах, сумеречных состояниях, свойственным некоторым неврологическим заболеваниям, астеническом синдроме, сотрясении головного мозга;

• Дельта-ритм (частота располагается в промежутке от 0,3 до 4 Гц, амплитуда – от 20 до 200 мкВ) – характерен для глубокого погружения в сон (естественного засыпания и искусственно созданного сна – наркоза). При различной неврологической патологии наблюдается усиление δ-волны.

ДПФ и спектральная плотность мощности.

Формула дискретного преобразования Фурье(ДПФ)

Спектральная плотность мощности (СПМ)

Спектральные параметры ЭЭГ.

ВЗАИМНЫЙ СПЕКТР

Взаимный спектр позволяет отразить взаимосвязь колебательных процессов, присутствующих в двух одновременно наблюдаемых сигналах.

Он содержит как информацию о мощности совместных колебаний, так и о фазовых сдвигах между колебаниями с одинаковыми частотами.

Функция взаимной спектральной плотности мощности (ВСПМ) может быть получена как преобразованием Фурье от взаимной корреляционной функции (ВКФ) двух сигналов:

где Р_xy(f) – значение ВСПМ сигналов x и y для частоты f, C_xy(τ) – ВКФ для временного сдвига τ, а X(f) и Y(f) – преобразование Фурье для соответствующих сигналов.

РАСЧЕТ ВСПМ ПО ДПФ ДВУХ СИГНАЛОВ

Непосредственное вычисление ВСПМ по ДПФ двух синхронно снятых дискретных выборок сигналов x(n) и y(n), где n=0,…, N-1.

Если ДПФ сигналов определены как:

То оценка ВСПМ может быть рассчитана по формуле:

ВСПМ КАК ДПФ ОТ ОЦЕНКИ ВКФ

Сначала вычисляется смещенная оценка взаимной корреляционной функции двух сигналов:

Где m – значение сдвига, а σ_x и σ_y – стандартные отклонения соответствующих сигналов. Тогда оценка ВСПМ может быть рассчитана по формуле:

КОГЕРЕНТНОСТЬ

Функция когерентности, определяется выражением:

Функция когерентности представляет собой нормированный вариант ВСПМ и ее модуль может принимать значения не более единицы. Это позволяет получать оценки относительной степени взаимосвязанности двух процессов на определенной частоте.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВЯЗИ ОТВЕДЕНИЙ FP2 И F8

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВЯЗИ ОТВЕДЕНИЙ F7 И O2

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВЯЗИ ОТВЕДЕНИЙ PZ И O2

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЭЭГ-ИСТОЧНИКОВ

Метод исходит из предположения, что наблюдаемая на поверхности скальпа картина ЭЭГ-потенциалов образуется излучением некоторого множества источников или диполей, локализованных во внутренних мозговых структурах. При этом мозг рассматривается как однородная и изотропная среда. С использованием численных итерационных методов решается обратная задача: в каких местах и сколько надо расположить диполей, чтобы полученная от них картина излучения на скальпе отличалась от наблюдаемой не более заданного уровня критерия.