Учебное пособие 2232

электродами. Этот метод применяется в клинических исследованиях при необходимости определения локализации патологического очага в мозге, однако он не позволяет определять, какие колебания возникают под каждым из двух электродов по отдельности, а также определять, каковы их амплитудные характеристики [5, с. 29]. Поэтому в психофизиологии общепринятым считается метод монополярного отведения (рис. 1.2, а). При нем регистрируется разность потенциалов между разными точками на поверхности головы исследуемого по отношению к какой-то одной индифферентной точке, в качестве которой обычно используют такой участок на голове или лице, на котором какие-либо электрические процессы минимальны, и их можно принять за ноль. Зачастую это мочка уха или сосцевидный отросток черепа. В таком случае с электрода, наложенного на скальп пациента, регистрируются изменения потенциала с определённого участка мозга.

Рис. 1.2. Способы регистрации сигнала от головного мозга

Оба этих метода основаны на применении в схеме дифференциальных входов АЦП либо дифференциального усилителя сигнала. Дифференциальным, как правило, называют вход напряжения или вход заряда с тремя точками подключения (одно из устоявшихся обозначений: X, Y, AGND) (рис. 1.3). Устройство с таким входом позволяет выделять полезную разностную противофазную составляющую напряжений (UX – UY) на входах X и Y на фоне помеховой синфазной составляющей напряжения 0.5 * (UX + UY) относительно входа AGND. В случае входа заряда справедливы аналогичные соотношения для заряда. Вход AGND выполняет функцию общего провода. Другими словами, дифференциальный вход можно назвать двухфазным входом, где X, Y – прямая и инверсная фазы относительно AGND.

Усилители биопотенциалов имеют следующие основные характеристики:

диапазон напряжений входного сигнала (полезного разностного сигнала между X и Y);

диапазон синфазного напряжения сигнала (диапазон изменения среднего напряжения 0,5 * (UX + UY) относительно цепи AGND);

10

коэффициент подавления синфазного сигнала, измеряемый в децибелах, - это коэффициент подавления помеховой составляющей входного напряжения 0.5 * (UX + UY) по отношению к полезной разностной составляющей (UX – UY), измеряемый на определённой частоте сигнала;

входное сопротивление дифференциального входа. Для дифференциальной и синфазной составляющих напряжения входное сопротивление может быть разным.

Рис. 1.3. Дифференциальный вход

Из-за симметричной сути дифференциального входа его называют также симметричным входом, в отличие от несимметричного входа с общей землёй. Вход c общей землёй может быть получен из дифференциального путём соединения цепей Y и AGND. Инверсный вход с общей землёй может быть получен из дифференциального путём соединения цепей X и AGND.

Для лучшего использования полезного свойства дифференциального входа, заключающегося в подавлении синфазной составляющей (например, помехи вследствие антенного эффекта), провода цепей X и Y следует вести симметрично, например, витой парой для построения дифференциальной сигнальной цепи.

Дифференциальный вход АЦП будет измерять разницу напряжения между двумя контактами (плюс и минус на входе). Несимметричный («обычный») вход АЦП будет измерять разницу напряжений между одним входом и землей АЦП.

Дифференциальные пары позволяют увеличить в два раза входное напряжение, не вызывая дополнительного шума. То есть вместо того, чтобы иметь сигнал, привязанный к земле, два провода являются полными противоположностями. Например, когда одна линия находится на уровне + 1,3 В, то другая будет на уровне -1,3 В. Напряжение между любой из этих линий и землей составляет всего 1,3 В, но поскольку АЦП преобразует разность напряжений этих сигналов, то на его выходе будет 2,6 В. На рис. 1.4 изображены обобщенные схемы дифференциальных систем, применяемых как для монополярного, так и для биполярного методов регистрации ЭЭГ.

11

Рис. 1.4. Обобщенные схемы дифференциальных систем

Также, помимо дифференциальных АЦП, используют дифференциальный (рис. 1.5) или инструментальный (рис. 1.6) усилители. Дифференциальный усилитель это электронный усилитель с двумя входами, сигнал на выходе которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Он применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Рис. 1.5. Схема дифференциального усилителя на базе одного операционного усилителя

Инструментальный усилитель используется для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в системах, в которых от усилителя требуются высокие параметры, в том числе большое входное

12

сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает требуемого высокого входного сопротивления (порядка нескольких мегаом), поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на рис. 1.6. Дифференциальный усилитель, собранный по такой схеме, называется инструментальным. В данной схеме входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующие входы буферных операционных усилителей, которые не используются для создания обратной связи. Собственное входное сопротивление входных прецизионных операционных усилителей составляет значение порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для высокоточного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом.

Рис. 1.6. Схема инструментального усилителя

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня нуля), а разность напряжений между двумя точками.

Также следует использовать дифференциальные усилители в том случае, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и подобных биопотенциалов. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала.

Обычный дифференциальный усилитель имеет два серьезных недостатка, которые перечеркивают его достоинства во многих ситуациях.

13

Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующем усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал, то усилитель даст существенную ошибку в измерительной системе.

Второй недостаток — сложность изменения коэффициента усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменять значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно и неоправданно усложняет схему. Поэтому используют инструментальный усилитель.

В современной медицине и технике существуют различные схемы подключения электродов. Но наиболее распространенной и общепринятой во всем мире является схема «10-20». В ней референтные электроды стандартно располагаются на мочках ушей. Они обозначаются Ref (R), но могут быть установлены также и в другом месте, например, на сосцевидных отростках за ушами, как было описано ранее, по средней линии между Fz и Cz электродами (электроды, расположенные по средней линии, обозначаются индексом — «z», от «zero», т. е. нулевой). Электроды, расположенные в левом полушарии, в соответствии с этой схемой принято обозначать нечетными цифрами, а в правом полушарии — четными. Также по стандарту обязательно наличие электрода заземления, который может располагаться в любом месте на голове пациента, но чаще всего устанавливается между Fp1 и Fp2 электродами на лбу в точке Fpz.

Полная стандартная схема «10-20» в полном варианте предусматривает установку 21 электрода, включая как электрод заземления, так и референтный электрод. Места расположения отведений электрической активности мозга имеют буквенные обозначения и выбираются в соответствии с областями, над которыми располагаются электроды (рис. 1.7):

затылочное отведение — О (occipitalis);

теменное — P (parietalis);

центральное — C (centralis);

лобное — F (frontalis);

височное — T (temporalis).

Международная схема 10-20 была разработана Гербертом Генри Джаспером в 1958 г. и применена для стандартизации терминологии и описания локализации скальповых электродов для того, чтобы ЭЭГ записи могли быть универсальными и сравнимыми, вне зависимости от лаборатории и врача, проводившего и анализировавшего исследование. В настоящее время схема является международным медицинским стандартом установки электродов при проведении ЭЭГ исследований. Она используется при наклейке коллодиевых электродов, а также при использовании ЭЭГ шапочек, которые появились гораздо позднее.

14

Рис. 1.7. Обозначения отведений электрической активности мозга по схеме «10-20»

Данная схема предусматривает измерение расстояния между костными общепринятыми ориентирами черепа, а также последующий расчет интервалов между электродами в процентах. Эти измерения и вычисления необходимы для определения мест установки электродов и проводятся по следующему принципу:

1.Первоочередно измеряется расстояние между точками Nasion (переносица) и Inion (выступ затылочного бугра). На 10 % от полученного в результате измерения расстояния, при этом выше затылочного бугра, располагается точка Oz и линия затылочных электродов (О1, О2). Спереди от данной линии на расстоянии 20 % находятся одна их основных точек Pz и линия расположения теменных электродов (Р3, Р4), еще через 20 % - точка Cz,

атакже линия размещения центральных электродов (С3, С4), и еще через 20 % - точка Fz и линия установки лобных электродов (F3, F4). Лобные полюсные электроды (Fp1 и Fp2) в соответствии со схемой располагаются на линии, находящейся в 10 % выше точки Nasion и в 20 % от линии лобных электродов. В точке пересечения данной линии с продольной находится точка расположения электрода Fpz.

2.Второе основное для данной схемы расстояние измеряется между околоушными точками (за ориентир принимается углубление сразу над козелком) по линии, которая проходит через середину первого расстояния, измеренного по принципам, описанным выше. Оно также делится на отрезки в процентах: в 10 % кверху от слуховых проходов с каждой стороны располагаются точки размещения височных электродов (Т3 и Т4), в 20 % выше от височных электродов находятся вышеупомянутые центральные точки электродов (С3, С4).

15

3. Третье расстояние измеряется как окружность головы, однако лента прокладывается строго через уже ранее определенные точки Fpz, T3, Oz и T4 (по окружности). За 100 % принимается половина полученного в результате замера расстояния, и исходя из этого откладываются отрезки по 10 % влево и вправо от точки Fpz для определения наложения полюсных лобных электродов (Fp1 и Fp2 соответственно) и по 10 % от Oz для определения расположения затылочных электродов (О1 и О2). Также на этой линии лежат и другие точки расположения:

-нижнелобные электроды (F7 и F8), на расстоянии 20 % от Fp1 (сзади) и Т3 (спереди) и аналогичным образом с другой стороны;

-задневисочные электроды (Т5 и Т6) на расстоянии 20 % от T3 (сзади) и O1 (спереди) и аналогично с другой стороны.

Как уже было указано ранее, по средней линии также устанавливаются сагиттальные электроды — лобные (Fz), центральные (Cz), теменные (Pz). Точки Fpz и Oz имеют промежуточное значение и не используются для установки активных электродов в системе 10-20. Свое название данная система получила по величине отрезков в 10 и 20 %, требуемых для определения мест расположения электродов.

Пример ЭЭГ, снятой по данной схеме, приведен на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Электроэнцефалограмма человека

1.5. Артефакты ЭЭГ

Артефакты, получаемые в ходе проведения электроэнцефалографического исследования, представляют собой дефект записи и искажают реальную картину. В связи с тем, что современная электроэнцефалографическая

16

аппаратура регистрирует чрезвычайно малые величины изменений биоэлектрических потенциалов, истинная запись ЭЭГ может искажаться вследствие воздействия даже незначительных разнообразных физических (технических) и/или физиологических артефактов [6]. Практически всегда это создает значительные трудности при ее расшифровке и интерпретации (рис. 1.9).

Существуют несколько основных групп артефактов.

Физические артефакты — это артефакты, возникающие из-за воздействия на аппаратуру для проведения ЭЭГ исследований различных физических или технических помех. К ним можно отнести обрыв проводника, плохой контакт электрода, так называемый «телефонный артефакт» (расположение телефонного аппарата рядом с местом проведения ЭЭГ исследования, вследствие чего ЭЭГ-анализатор может регистрировать электромагнитные волны из телефонного аппарата).

Физиологические артефакты — такие артефакты, которые возникают изза различных биологических процессов, протекающих в организме пациента. Это могут быть - реограмма (РЭГ-артефакт), электрокардиограмма (ЭКГартефакт), электромиограмма (ЭМГ-артефакт) и другие.

Рис. 1.9. Артефакты движения и различных механических и электрических помех

Для того чтобы получить безартефактную запись ЭЭГ, необходимо, чтобы испытуемый в ходе эксперимента находился в расслабленном состоянии, сидел в специализированном удобном кресле. Также должно быть минимизировано количество внешних световых и звуковых раздражителей, а также воздействие электрических и магнитных полей и других излучений,

17

способных повлиять на регистрируемые сигналы. Очень важным фактором качества исследования является правильная постановка электродов, а также соблюдение небольшого сопротивления «электрод-кожа» (не более 5 кОм). Артефакты, все же оказавшиеся в электроэнцефалограмме, удаляют с помощью специальных опций программного обеспечения при последующей обработке полученной записи. На рис. 1.10 представлены артефакты движения на фоне различных ритмов ЭЭГ.

Рис. 1.10. Артефакты движения

Методов устранения или хотя бы ослабления артефактов, вызванных движением, а также различными механическими и электрическими помехами во время исследования, существует несколько. Первый, и в то же время самый простой, - это крепкая и надежная фиксация электрода на коже головы, а также минимизация двигательной активности пациента и отсутствие с его стороны различных непроизвольных движений. Так как добиться всего выше перечисленного в полной мере не представляется возможным, то требуется прибегать также и ко второму методу, который, несмотря на то, что все же не полностью удаляет возникающие артефакты движения и различных механических и электрических помех, но существенно их ослабляет, что самое главное, действует постоянно, не завися от усидчивости пациента. Этот метод заключается в применении пассивной фильтрации, которая осуществляется простейшими фильтрами низких и высоких частот в электроде, а также это

18

достигается применением цифровых фильтров высокого порядка при последующей обработке. Однако даже с применением всех этих методов в совокупности не стоит ожидать абсолютной фильтрации сигнала до состояния чистой электроэнцефалограммы. Эту проблему еще предстоит решить в будущем, если применение ёмкостных электродов займет свою нишу, отвечая экономической и медицинской целесообразности.

1.6.Нейроинтерфейсы

Впоследние десятилетия, благодаря достижениям в области обработки сигналов и распознавания образов, а также повышению доступности мощного и недорогого компьютерного оборудования, получили свое развитие нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ), позволяющие обеспечивать немышечный канал связи между людьми и внешними устройствами.

Основные исследования начались в 1970-х годах в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе на деньги гранта Национального научного фонда, а затем по контракту с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Исследования в основном специализируются на нейропротезировании для восстановления слуха, зрения и движения. Однако в последнее время технологией заинтересовалась широкая публика, а также бизнес. Австралийская компания Emotiv разрабатывает электронные устройства для ЭЭГ. NeuroSky представила гарнитуру, которая позволяет влиять на действия героев фильма с помощью ритмов мозга. А компания OpenWater разрабатывает технологию для считывания мыслей. Немаловажное место в этом списке зарубежных исследователей и производителей занимает российский проект «НейроЧат». Его возможности позволяют набирать текст на экране компьютера, не используя речь или движения. Пользователь концентрируется на нужной букве или символе на виртуальной клавиатуре и тем самым осуществляет “мысленный выбор” объекта. Так, выбирая букву за буквой или готовые слова на экране, человек может печатать как короткие фразы, так и целые предложения.

Существует несколько методов измерения сигналов мозга в зависимости от уровня установки датчиков. Их разделяют на три типа:

неинвазивные – в этом методе датчики помещаются на голову для измерения электрических потенциалов, создаваемых головным мозгом (ЭЭГ) и магнитным полем (МЭГ);

полуинвазивные – при этом методе электроды помещаются на открытую поверхность мозга;

инвазивные – случай, когда микроэлектроды помещаются непосредственно в кору головного мозга, измеряя активность одного нейрона или небольшой их группы.

Далее рассмотрим проектирование аппаратуры регистрации ЭЭГ

неинвазивным способом.

19