Учебное пособие 2232

Д. В. Журавлев

АППАРАТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Монография

Воронеж 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Д. В. Журавлев

АППАРАТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Монография

Воронеж 2021

УДК 621.3 ББК 32.844 Ж911

Рецензенты:

АО «Концерн «Созвездие» (начальник научно-технического управления д-р техн. наук Н. М. Тихомиров);

научный руководитель ООО «Базис-Бонд» канд. техн. наук, доц. М. М. Мочалов

Журавлёв, Д. В.

Ж911 Аппаратура для электроэнцефалографических исследований:

монография / Д. В. Журавлёв; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. – 259 с.

ISBN 978-5-7731-0920-4

В монографии рассматриваются вопросы проектирования беспроводных приборов регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека. Рассмотрены варианты проектирования устройств, осуществляющих регистрацию 8 и 16 каналов ЭЭГ монополярным способом. Также рассмотрены варианты проектирования устройств, осуществляющих регистрацию 4 каналов ЭЭГ биполярным способом.

Данная монография будет полезна широкому кругу инженеров в области разработки и исследования медико-биологических систем на различных научно-производственных предприятиях, а также широкому кругу молодых специалистов, занимающихся обучением, исследованиями и разработкой в области электроэнцефалографических исследований.

Табл. 18. Ил. 246. Библиогр.: 11 назв.

УДК 616-71 ББК 32.81

Печатается по решению научно-технического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Начало XXI века ознаменовалось бурным развитием новых технологий в радиотехнике. Очередной научно-технический прогресс вывел радиоэлектронику на совершенно новый уровень, переведя ее практически полностью в цифровой вид.

Современные технологии позволяют создавать радиоэлектронные устройства с широчайшими возможностями, позволяющими применять их в самых различных сферах деятельности цивилизации, в том числе и медицине. Как база XX века послужила для разработок XXI, так и технология, о которой пойдет речь в данной работе, появилась в результате хорошо изученных и активно используемых методов исследования головного мозга.

Речь идет об электроэнцефалографии, которая является самым широко применяемым и доступным методом в неврологии и нейрохирургии - методом диагностики изменения функционального состояния головного мозга. Данный метод осуществляется с применением электроэнцефалографа, принцип работы которого на сегодняшний день включает в себя как привычную регистрацию биоэлектрических потенциалов, так и новые технологии, а также способы обработки сигнала, позволившие выйти на новый уровень качества и визуализации итоговых результатов. Данные аспекты позволяют организовать достаточно мощное электронное устройство широкого спектра применения за счет разработки специального программного обеспечения и аппаратной реализации при минимальных экономических затратах, что никоим образом не ухудшает технические характеристики разрабатываемого устройства. Использование в данной технологии микроконтроллера как достаточно мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора электрорадиоэлементов, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

В монографии подробно рассмотрено построение различных вариантов современных электроэнцефалографов для проведения научноисследовательских работ. В основе всех проектов лежит использование современной элементной базы, позволяющее разработать требуемый комплекс средств для электроэнцефалографических исследований достаточно компактным и мобильным, в то же время обладающим достаточно хорошими техническими характеристиками, за счет чего и было организовано успешное выполнение требуемых задач по обеспечению чувствительности, частотных параметров устройств и их фильтрующих свойств. Все рассмотренные в монографии проекты имеют огромный потенциал для дальнейшего развития и модернизации, постоянного наращивания их функционала, как аппаратного, так и программного.

3

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ

1.1. Биопотенциалы

Биопотенциалы – энергетическая характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в различных областях мозга, в клетках и других живых структурах, которые могут находиться в различных физиологических состояниях.

Существуют два основных вида биопотенциалов:

Потенциал покоя (ПП) – разность потенциалов, которая характерна для стационарного состояния любой живой системы. Он существует постоянно и поддерживается за счет протекающего звеньями обмена веществ.

Потенциал действия (ПД) – разность потенциалов, характерная для

переходных процессов. Она быстро нарастает и спадает.

Биопотенциалы тесно связаны с метаболическими процессами. Отсюда следует, что они являются показателями физиологического состояния системы. Основными показателями изменений в клетках являются величина и характер биопотенциалов. Также они показывают её состояние - норма или патология.

Возникновение биопотенциалов основано на несимметричном распределении ионов относительно мембраны, то есть возникновение различных концентраций ионов по разные стороны от мембраны. Непосредственная причина возникновения - различная скорость диффузии ионов по их градиентам, определяющаяся селективностью мембраны.

Существует крупная группа различных электрофизиологических методов диагностики, основанных на регистрации биопотенциалов. К ним относятся электрокардиография (ЭКГ), электромиография (ЭМГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), электроокулография (ЭОГ) и т. д. Далее рассмотрим более подробно электроэнцефалографию (ЭЭГ).

1.2. Электроэнцефалография

Электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод регистрации биопотенциалов головного мозга, которые изменяются во времени. Регистрация осуществляется через кожный покров головы и позволяет оценивать функциональное состояние головного мозга, наличие его поражений или расстройств. Основоположником клинической электроэнцефалографии можно считать психиатра Ганса Бергера

(1928 г.).

История применения ЭЭГ в широком спектре задач берёт своё начало в 1929 году. В то время она использовалась в медицине для решения клинических и исследовательских задач, для определения эпилептической активности и эпилептических припадков, изучения стадий сна, а также протекания мысленных процессов до и после травм головы. Также, поскольку

4

ЭЭГ позволяет обеспечивать визуальное представление электрических процессов, протекающих в головном мозге, в том числе и самых различных отклонений, связанных с его функциями, она нашла широкое применение в изучении и диагностике неврологических и психических расстройств, а также в мониторинге развития и когнитивных функций человека. Большое значение в современном мире имеет распознавание сигналов энцефалограммы головного мозга и выделение закономерностей, поскольку это служит основой для разработки нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ).

При проведении ЭЭГ исследований происходит измерение суммарных постсинаптических токов. Потенциал действия (кратковременное изменение потенциала) в пресинаптической мембране аксона (длинного цилиндрического отростка нервной клетки) вызывает высвобождение нейромедиатора в синаптическую щель. Нейромедиатор, или нейротрансмиттер, — химическое вещество, осуществляющее передачу нервных импульсов через синапсы между нейронами. Пройдя через синаптическую щель, нейромедиатор связывается с рецепторами постсинаптической мембраны. Это вызывает ионные токи в постсинаптической мембране. В результате во внеклеточном пространстве возникают компенсаторные токи. Именно эти внеклеточные токи формируют потенциалы ЭЭГ. ЭЭГ нечувствительна к ПД аксонов.

Несмотря на то, что за формирование сигнала ЭЭГ ответственны постсинаптические потенциалы, поверхностная ЭЭГ не способна зафиксировать активность одного дендрита или нейрона. Верным описанием будет то, что поверхностная ЭЭГ представляет собой сумму синхронной активности сотен нейронов, имеющих одинаковую ориентацию в пространстве и расположенных радиально к коже головы. В то же время токи, которые направлены по касательной к коже головы, не регистрируются. Таким образом, во время ЭЭГ регистрируется активность радиально расположенных в коре апикальных дендритов. Так как напряженность поля уменьшается пропорционально расстоянию до его источника в четвертой степени, активность нейронов в глубоких слоях мозга зафиксировать гораздо труднее, нежели токи непосредственно около кожи.

Токи, регистрируемые при проведении ЭЭГ, характеризуются различными частотами, пространственным распределением и взаимосвязью с различными состояниями мозга (например, сон или бодрствование). Такие колебания потенциала представляют собой синхронизированную активность целой сети нейронов.

На текущий момент идентифицировано небольшое количество нейронных сетей, ответственных за регистрируемые колебания (например, таламокортикальный резонанс, лежащий в основе «сонных веретен» — учащенных альфа-ритмов во время сна), тогда как многие другие (например, система, формирующая затылочный основной ритм) пока не установлены.

В современном мире метод электроэнцефалографии применяется в большом количестве как для научных и клинических целей, так и в большом

5

спектре исследовательских задач. Первый метод исследований, использующий современные математические методы обработки и анализа данных, и до сих пор остается одним из наиболее актуальных и наиболее применяемых для изучения мозга человека. Электроэнцефалография дает возможность качественного и количественного анализа функционального состояния головного мозга, его реакций на действия разнообразных раздражителей, а также на выполнение различных видов деятельности. В клинической практике ЭЭГ нашла широчайшее применение: она используется для диагностики большого ряда психических и неврологических заболеваний. В первую очередь для диагностики эпилепсии, поскольку существует ряд характерных изменений ЭЭГ, специфичных для этого заболевания, значения которых дают возможность своевременного выявления признаков болезни и применения лечения.

Электроэнцефалограф – медицинский электроизмерительный прибор для электроэнцефалографии, с помощью которого измеряют и регистрируют разность потенциалов между точками головного мозга, располагающимися в глубине или на его поверхности, и записывают электроэнцефалограмму [3, c. 53]. Энцефалографы позволяют вести регистрацию электрических колебаний частотой 0.5—100 Гц и различаются чувствительностью (0.5—1 мм/мкВ), скоростью регистрации (5—100 мм/с), числом каналов (аналоговые — до 24, цифровые — до 256). Как было сказано ранее, образование и изменение потенциалов головного мозга является результатом физико-химических процессов, лежащих в основе обмена веществ в нервной ткани, а также перемещения положительных и отрицательных ионов. Часть из этих процессов протекают медленно, другие же совершаются циклически, при этом с большой частотой. Подводя итог, можно сказать, что источники потенциалов — это физико-химические процессы, протекающие в скоплении клеток с их многочисленными отростками.

Вцелом ЭЭГ позволяет:

установить участки мозга, задействованные в провоцировании приступов и ответственные за проявления патологий;

следить за динамикой применения лекарственных препаратов и проведения медицинских терапий;

определять степень нарушения работы мозга в периоды между приступами эпилепсии;

оценить степень нарушения работы мозга.

1.3. Основные виды ритмов ЭЭГ

ЭЭГ активность, представляющая собой волны приблизительно одной частоты, называется ритмом. Наиболее выраженный в ЭЭГ ритм называется доминирующим. Если амплитуда волн ритмической активности постепенно нарастает, а затем также плавно спадает, то говорят, что ритмическая активность имеет веретенообразный характер. Если уменьшение амплитуд

6

колебаний потенциалов не сопровождается изменением их частотной характеристики, то это явление носит название депрессии ритма. Процесс, который выражается в формировании регулярной, упорядоченной ритмической активности и нарастании амплитуды колебаний, называют синхронизацией ритма. Нарушение ритмичности протекания волновых процессов ЭЭГ, сопровождающееся замещением упорядоченной синхронной волновой активности менее регулярными колебаниями разной частоты, а также меньшей амплитудой, называют десинхронизацией [4, с. 11].

В настоящее время существует несколько следующих основных видов ритмов головного мозга. Они представляют наибольшую практическую ценность с медицинской точки зрения. Кратко охарактеризуем их:

Альфа-ритм – регулярный ритм синусоидальной формы. Он характеризуется частотой 8-13 Гц и амплитудой 20-80 мкВ. Его возможно регистрировать при отведении биопотенциалов от всех зон коры большого мозга, но в основном он наблюдается при отведении от затылочной и теменной областей. Проявляется у человека в условиях физического и умственного покоя, обязательно при закрытых глазах и отсутствии внешних раздражителей. Данный ритм составляет основу энцефалограммы взрослого человека, не имеющего проблем со здоровьем и регистрируется при расслабленном бодрствовании (лежа с закрытыми глазами, но без сна) у подавляющего большинства обследуемых пациентов (от 85 до 90 %). Во время мыслительной деятельности и при зрительной активности частично блокируется. Фиксируется практически с первых дней жизни человека. О различных нарушениях свидетельствуют следующие показатели: фиксирование α-активности в лобных долях головного мозга; отклонение формы колебаний от синусоидальной формы; значительный разброс частот; очень низкая (менее 25 мкВ) или же слишком высокая (свыше 95 мкВ) амплитуда импульсов. Если альфа-ритм фиксируется только в одном из полушарий мозга, это служит свидетельством патологии, которая возникает в результате инфаркта или острого нарушения кровообращения клеток мозга (инсульта). Также о возможных различных повреждениях в клетках головного мозга и нарушениях их функций зачастую может свидетельствовать повышение частоты волн. Изменения альфа-ритма у детей можно расценивать как возможный признак задержки психического развития, а полное отсутствие альфа-ритма зачастую говорит о вероятном слабоумии.

Бета-ритм – имеет частоту колебаний 14-35 Гц. Амплитуда этого ритма низка: всего 10-30 мкВ. Он может быть зафиксирован при отведении биопотенциалов практически от любых областей коры большого мозга, однако наиболее ярко выражен в лобных долях. При нанесении различных раздражений, открывании глаз или выполнении умственной работы наблюдается быстрая смена альфа-ритма бета-ритмом. Данное явление, выражающееся в смене редкого ритма более частым, получило название реакции активации (или десинхронизации) ритма. Повышение амплитуды бета-

7

ритма позволяет диагностировать сотрясение, а преобладание данной активности в ЭЭГ зачастую проявляется в результате воздействия различных лекарственных средств, а также может наблюдаться при стрессе. Также по бетаволнам возможно определить наличие энцефалита или другого воспалительного процесса в организме. У детей отклонением от нормы считается частота данного ритма в диапазоне 15-16 Гц и амплитуда колебаний в 40-50 микровольт. Чаще всего такие изменения могут свидетельствовать об отставании ребенка в развитии.

Тета-ритм – имеет частоту 4-8 Гц и относительно высокую амплитуду порядка 100-150 мкВ. Наблюдается при состоянии неглубокого сна, кислородном голодании организма и умеренном по глубине наркозе. При наблюдении увеличения активности данных волн можно говорить о тяжелых нарушениях в работе центральной нервной системы человека.

Дельта-ритм – ритм, характеризующийся медленными колебаниями биопотенциалов с частотой всего 0.5-3 Гц, но при этом высокой амплитудой 250-300 мкВ, а иногда доходящей до 1000 мкВ. Он обнаруживается при отведении биопотенциалов от всех зон коры большого мозга и наблюдается во время глубокого сна, а также при наркозе. Данный ритм может быть зарегистрирован у детей до 7 лет также и в бодрствующем состоянии.

Гамма-ритм – колебания потенциалов в диапазоне от 40 Гц до 120 –170 Гц. При этом ритм обладает крайне низкой и обратно пропорциональной частоте амплитудой – ниже 10 мкВ. Гамма-ритм практически всегда наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания и большой умственной работы.

Помимо вышеперечисленных основных электрических импульсов мозговой активности, существуют и другие волны, которые используются для анализа при проведении исследований состояния пациента гораздо реже, но при этом в ряде случаев могут влиять на выявление причины заболевания и отклонений. К ним относятся:

Мю-ритм – импульсные сигналы, имеющие практически ту же частоту, что и альфа-ритм, но при этом регистрирующиеся в центральных отделах мозга. Их активация происходит при различных тактильных раздражениях, умственной активности, а также при проявлении эмоций.

Лямбда-ритм – проявляется при сосредоточенном и внимательном слежении взглядом за одним объектом. Однозначно локализуется в задних мозговых отделах головы. Частота ритма всего 4-5 Гц. Исчезновение ритма наблюдается при фиксации взгляда на какой-либо неподвижной точке.

Каппа-ритм – также, как и мю-ритм, лежит в α-диапазоне, но при этом отмечается в передних височных отделах. Его амплитуда не превышает 20-30 мкВ. Его возникновение наблюдается при подавлении альфа-волн во время умственной деятельности.

Пи-ритм – это медленные колебания частотой 3-4 Гц, регистрируемые в задних отделах мозга.

8

Фи-ритм – фиксируется в диапазоне дельта-ритма, но при этом локализуется в задней части мозга и возникает при закрывании глаз.

Сигма-ритм – импульсы частотой 10-16 Гц (чаще всего 12-14 Гц). Амплитуда колебаний у взрослых людей обычно не превышает 50 мкВ. Наиболее часто его проявление наблюдается в начальной стадии медленного сна, следующей за состоянием дремоты.

Основные виды ритмов представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Ритмы головного мозга

1.4. Методы съема ЭЭГ

Для того чтобы электрические колебания мозга могли быть записаны фиксирующим оборудованием, их необходимо предварительно усилить и отфильтровать, избавив от различных помех. Как и любые другие электрические потенциалы, ЭЭГ всегда измеряются между двумя точками. Существуют два основных способа регистрации ЭЭГ – биполярный и монополярный. При использовании метода биполярного отведения (рис. 1.2, б) происходит регистрация разности потенциалов между двумя активными

9