МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Факультет Автоматики и Вычислительной Техники

Кафедра систем сбора и обработки данных

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Тема:

«Система приема и обработки ультранизкочастотных сигналов головного мозга. Фильтрация и обработка»

Факультет: АВТ. Руководитель:

Профессор Белик Д.В.

Группа: АО - 71

Студент: Гаенко Н.А.

.

Новосибирск 2011 г.

Содержание.

Введение ........................................................................................................................3

1. Сигналы головного мозга и устройства их приема................................................4

1.1. Ритмы головного мозга ..............................................................................7

1.2. Принцип построения электроэнцефалограммы.....................................12

1.3. Возможность бесконтактной регистрации сигнала ЭЭГ.......................14

1.4. Аппараты регистрации ЭЭГ.....................................................................15

1.5. Аппараты бесконтактного измерения сигналов головного мозга.......19

2. Проектирование вычислительной системы.........................................................21

2.1. Общая структурная схема..........................................................................22

2.2. Вариации блока фильтрации и обработки...............................................24

2.3. Проектирование полосовых фильтров ....................................................25

2.4. АЦП и буфер хранения дискретных точек системы...............................35

2.5. Перспективы дальнейшего развития устройства....................................38

3. Разработка принципиальной схемы......................................................................39

3.1. Реализации аппаратной части устройства .............................................40

3.2. Проектирование виртуального прибора.................................................43

3.3. Программная реализация виртуального прибора.................................45

3.3.1. Блок Case структуры.....................................................................46

3.3.2. Блок разделения по полосам........................................................48

3.3.3. Блок записи и дозаписи в файл ...................................................51

3.3.4. Блок определения времени работы устройства.........................51

3.3.5. Блок считывания полученных ритмов из файла........................52

3.4. Схематичная реализация аналоговых полосовых фильтров.................53

4. Создание реального прибора и его тестирование...............................................56

4.1.Устройство бесконтактного считывания сигналов головного мозга.56

4.2.Тестирование прибора................................................................................59

Заключение..................................................................................................................61

Список литературы.....................................................................................................62

Приложения.................................................................................................................63

Введение

Данная дипломная работа является частью совместной дипломной работы по теме «Система приема и обработки ультранизкочастотных сигналов головного мозга».

В настоящее время широкое распространение, в медицинской практике, получило изучение электрической активности головного мозга человека.

Образование специфических электрических потенциалов на поверхности этого органа является результатом физико-химических процессов лежащих в основе обмена веществ в нервной ткани, а также в основе других физиологических процессах происходящих внутри самого органа. Получается при выполнении обратной задачи, а именно считывание и исследование этих потенциалов либо сигналов, мы можем охарактеризовать работу самого органа, работу его физиологических процессов. Что в целом и является целью создания систем приема и обработки сигналов головного мозга.

В рамках данного проекта предлагается новых подход к получению ЭЭГ, основанный на преобразовании электромагнитных колебаний в ток посредством приемной антенны, настроенной на частоту сигнала, излучаемого мозгом.

Настоящая работа посвящена разработке устройства обработки ультранизкочастотных сигналов головного мозга при считывании их бесконтактным способом, т.е. без наложения датчиков на голову пациента.

1. Сигналы головного мозга и устройства их приема.

Функционирование живых клеток сопровождается возникновением межмембранных электрических потенциалов. Клетки, образуя целостный орган, образуют сложную картину его электрической активности. Она определяется как электрической активностью отдельных клеток, взаимодействием между ними, так и устройством самого органа, а также неоднородностью структуры этого органа.

Образование и колебание электрических потенциалов головного мозга является результатом физико-химических процессов лежащих в основе обмена веществ в нервной ткани, перемещение положительных и отрицательных ионов. Одни из этих процессов протекают медленно, другие совершаются циклически и с большой частотой. По существу источники потенциалов — это скопление клеток с их многочисленными отростками.[1]

Все эти процессы заложены в нашей природе, и записаны в специальном хранилище информации, в ДНК.

Обменные процессы, такие как изменение электрических потенциалов в тканях и клетках головного мозга, по средством переноса ионов из межклеточного пространства в клетки и обратно, а также передача импульсов по каналам нейронной сети являются первоисточником образования разности потенциалов в разных участках коры головного мозга.

Данные электрические потенциалы можно считывать с помощью специальных аппаратов называемых электроэнцефалографами.

Электроэнцефалографы — медицинские электроизмерительные приборы, с помощью которых измеряют и регистрируют разность потенциалов между точками головного мозга, располагающимися в глубине или на его поверхности.

Регистрация и анализ временных зависимостей разностей потенциалов, созданных мозгом на поверхности головы, используется для диагностики различных видов нарушений в работе нервной системы: травм, эпилепсии, психических расстройств, нарушений сна. Электроэнцефалография применяется медицине для определения области опухоли мозга, для оценки функционального состояния мозга до и после введения лекарственного препарата.

Измерение этих потенциалов необходимо для диагностирования отклонений в нормальной работе ритмов головного мозга человека. Ритм – это выборка небольшого диапазона частот в спектральной составляющей ЭЭГ сигнала. В ЭЭГ на графике ритм обычно представляется во временной области.

1. Ритмы головного мозга.

Альфа-ритм — ритм в полосе частот от 8 до 13 Гц, средняя амплитуда 30-70 мкВ, могут однако наблюдаться высоко- и низкоамплитудные α-волны. Регистрируется у 85-95% здоровых взрослых. Лучше всего выражен в затылочных отделах. Наибольшую амплитуду α-ритм имеет в состоянии спокойного бодрствования, особенно при закрытых глазах в затемнённом помещении. Блокируется или ослабляется при повышении внимания (в особенности зрительного) или мыслительной активности. [2]

Рис.1. Альфа-ритм

Для этого ритма характерно возникновение спонтанных изменений амплитуды (модуляции α-ритма), выражающихся в чередующемся нарастании и снижении амплитуды волн с образованием так называемых «веретён», длительность которых чаще всего колеблется от 2 до 8 с. Различают α-активность (состоит из α-волн с длительностью от 80 до 125 мс и регистрируется в любых мозговых структурах) и α-ритм (регулярная волновая активность с частотой порядка 10 Гц, регистрируемая в затылочных областях).

Согласно Н. Винеру, Г. Уолтеру, П. В. Симонову, ритмичность и чёткая периодичность α-ритма определяют его возможную роль в сканировании и квантовании поступающей информации. По данным Л. А. Новиковой, у слепых людей с врождённой или многолетней слепотой, а также при сохранности только светоощущения α-ритм отсутствует. Исчезновение α-ритма наблюдалось в случае атрофии зрительного нерва. Новикова предположила, что α-ритм совпадает с наличием предметного зрения.

Помимо собственно α-ритма, наиболее ярко выраженного в затылочных областях, наблюдаются ещё несколько ритмов, работающих на той же, что и α-ритм частоте, но наиболее проявляющихся в других областях мозга и имеющие другую форму волн (мю-ритм, каппа-ритм, тау-ритм).

Мю-ритм (дугообразный ритм) — ритм ЭЭГ в полосе частот 7—11 Гц. Представляет собой аркообразные волны, регистрируемые в состоянии бодрствования в центральных и центрально-височных регионах скальпа. Амплитуда различна, но обычно ниже 50 мкВ. Наблюдается у 5—15 % людей.

В отличие от α-ритма, μ-ритм активируется во время психической нагрузки и психического напряжения.

Выполнение любых движений независимо от их структуры, силовой, временной, пространственных характеристик всегда сопровождается блокированием μ-ритма. Ритм также блокируется мысленным представлением движения, состоянием готовности к движению или тактильной стимуляцией. Мало реагирует на воздействия других раздражений, например, световых и звуковых.

Выражен у слепых, компенсирующих потерю зрения развитием тактильного и двигательного исследования среды, у которых он встречается в три раза чаще по сравнению со зрячими. Также μ-ритм выражен у спортсменов (в пять раз чаще, чем у лиц, не занимающихся спортом).

Каппа-ритм (κ-ритм) — ритм ЭЭГ в полосе частот 8-12 Гц и амплитудой 20-30 мкВ, регистрируемый в височной области. Как и в альфа-ритме колебания в имеют веретёнообразную форму. Каппа-ритм наблюдается при подавлении альфа-ритма в других областях в процессе умственной деятельности. Впервые описан Кеннеди в 1948 году(Kennedy et al., 1948).

Лучше всего κ-ритм демонстрируется при регистрации между электродами, установленными у обоих глаз возле наружного угла глазной щели.

В настоящее время нет единого мнения относительно мозгового происхождения данного ритма. В некоторых работах высказывалось предположение, что данный ритм является артефактом, связанным с движениями глаз.

Тау-ритм (τ-ритм) — ритм ЭЭГ на частоте около 10 Гц. Регистрируется в височной коре и подавляется звуковыми стимулами.

Бета-ритм  — ритм ЭЭГ в диапазоне от 14 до 30 Гц с напряжением 5—30 мкВ, присущий состоянию активного бодрствования. Наиболее сильно этот ритм выражен в лобных областях, но при различных видах интенсивной деятельности резко усиливается и распространяется на другие области мозга. Так, выраженность β-ритма возрастает при предъявлении нового неожиданного стимула, в ситуации внимания, при умственном напряжении, эмоциональном возбуждении. [2]

Рис.2. Бета-ритм

Гамма-ритм  — колебания потенциалов ЭЭГ в диапазоне от 30 Гц до 120—170 Гц, а по данным некоторых авторов — до 500 Гц. Амплитуда очень низка — ниже 10 мкВ и обратно пропорциональна частоте. В случае если амплитуда гамма-ритма выше 15 мкВ, то ЭЭГ рассматривается как патологическая.

Рис.3. Гамма - ритм

Гамма-ритм наблюдается при решении задач, требующих максимального сосредоточенного внимания. Существуют теории, связывающие этот ритм с работой сознания (Е. Н. Соколов).

Данный ритм отражает собой пейсмекерные колебания, которые одновременно запускаются в нейронах приходящим сигналом из активирующей системы ретикулярной формации, вызывающим смещение мембранного потенциала.

Многие нейрофизиологи рассматривают колебания выше 30 Гц как высокочастотный шум и при анализе ЭЭГ отфильтровывают их, считая эти частоты наводками от потенциалов мышц головы и шеи. Показано, что во многих случаях за гамма волны принимают электромиографическую активность и миниатюрные движения глаз.

Однако из того, что гамма-ритм совпадает по частоте с мышечными потенциалами, не следует, что он является артефактом — гамма-ритм регистрируется и у животных с вживлёнными электродами. В ЭЭГ - исследованиях корректная регистрация гамма-ритма возможна лишь при одновременной записи ЭЭГ и миограммы и сопоставлении этих данных.

(Миограмма - запись электрических сигналов, полученных в результате регистрации мышечных сокращений).

Дельта-ритм — ритм ЭЭГ. Состоит из высокоамплитудных (сотни микровольт) волн частотой 0,5—4 Гц. Впервые дельта-ритм в ЭЭГ человека был классифицирован Греем Уолтером, а впоследствии был описан и у животных.

Рис.4. Дельта-ритм

Возникает как при глубоком естественном сне, так и при наркотическом, а также при коме. Дельта-ритм также наблюдается при регистрации ЭЭГ от участков коры, граничащих с областью травматического очага или опухоли.

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

Амплитуда дельта ритма в некоторых случаях может достигать 500 – 1000 мкВ в частотном диапазоне 0,5 - 3Гц. [7]

Тета-ритм— ритм ЭЭГ. Частота 4—8 Гц, высокий электрический потенциал 100—150 микровольт, высокая амплитуда волн. Наиболее ярко тета-ритм выражен у детей (2—8 лет).

Рис.5. Тета-ритм

Этот частотный диапазон способствует глубокой релаксации головного мозга, развитию интуиции, памяти, более глубокому и быстрому усвоению информации, пробуждению индивидуального творчества и талантов. В естественном состоянии эти ритмы доминируют во время фазы быстрого сна, полудремы. Именно в этом диапазоне частот в головном мозге достаточно энергии для усвоения больших объемов информации и быстрого сворачивания её в долговременную память. Поэтому усиливаются способности к обучению, и ослабляется стресс. В этом диапазоне мозг находится в состоянии повышенной восприимчивости. Это состояние идеально для интенсивного обучения, мозг способен длительное время сохранять сосредоточенность, и не подвержен тревогам и невротическим проявлениям.

Сигма-ритм (σ-ритм, сонные веретёна, веретенообразная активность, взрывная или вспышечная активность, веретенообразные вспышки, α-подобный ритм животных, барбитуровые веретёна) — один из основных и наиболее чётко выраженных элементов спонтанной ЭЭГ, регистрируемый в состоянии естественного сна. Возникает также при некоторых нейрохирургических и фармакологических воздействиях. Впервые этот ритм был описан Лумисом и соавторами при исследовании электроэнцефалографического выражения различных стадий сна. [2]

Спонтанный сигма-ритм имеет частоту от 10 до 16 Гц, но в основном 12—14 Гц. Характерным признаком сигма-ритма является нарастание амплитуды в начале вспышки сигма-ритма и её убывание в конце вспышки. Амплитуда различна, но у взрослых в основном не меньше 50 мкВ.

Сигма-ритм появляется в начальной стадии медленного сна, которая следует непосредственно за дремотой. Во время сна с дельта волнами сигма-ритм возникает редко. В процессе перехода к быстрому сну сигма-ритм наблюдается в ЭЭГ, но полностью блокируется в развитой фазе быстрого сна.

Из позвоночных животных сигма-ритм зарегистрирован только у млекопитающих, за исключением отряда однопроходных (ехидна). Сигма ритм отсутствует у рыб, амфибий, рептилий и птиц. Что касается онтогенеза, то описываются различные сроки появления сигма-ритма. У грызунов он появляется на 10—15 день после рождения. У котят и щенков сигма-ритм появляется несколько позже. У человека этот ритм возникает примерно с трёхмесячного возраста. С возрастом частота колебаний ритма, как правило, не меняется.

Обобщенный список основных ритмов головного мозга:

• Альфа ритм (ν = 8—13 Гц, А = 50—100 мВ)

• Мю ритм (ν = 7—11 Гц, А = ниже 50 мВ)

• Тау ритм (ν = около 10 Гц, А = ~50)

• Каппа ритм (ν = 8-12 Гц, А = 20-30 мкВ)

• Сигма ритм (ν = 12—14 Гц, А не меньше 50 мкВ)

• Бета ритм (ν = 14—30 Гц, А = 10—20 мкВ)

• Гамма ритм (ν >31 Гц, А мала)

• Дельта ритм (ν = 0,5—3 Гц, А = 50-500мкВ)

• Тета ритм (ν = 4—7 Гц, А мала)

Мы постоянно производим некоторое количество одновременно всех этих частот. Поэтому состояние нашего сознания отражает смешанную активность ритмов разных волн мозговой активности и их локализацию.