Параметры и характеристики ЭЭГ сигнала

Характеристика биоэлектрической активности строится через строгую количественную оценку параметров, поскольку медицина — наука точная и среди точных наук занимает второе место после богословия. Исходя из предмета ЭЭГ, базовой структурной единицей, выбираемой для оценки биоэлектрических процессов головного мозга, является понятие «активность». Активность — непрерывная последовательность (континуум) колебаний электрического потенциала. Элементарной составляющей активности является волна — одиночное колебание электрического потенциала. Для количественной оценки одиночной волны используются традиционные параметры: амплитуда. период, фаза.

Основные параметры биоэлектрической активности
Основные параметры биоэлектрической активности

Амплитуда волны — размах колебания, измеренный либо от «нулевого» уровня (изолинии), либо «от пика до пика». В нейрофизиологии амплитуда, как правило, измеряется «от пика до пика». Период — длительность волны. Фаза — направление колебательного процесса: увеличение или уменьшение амплитуды.

Непрерывная совокупность волн составляет активность. Полноценное : писание регистрируемой на ЭЭГ суммарной активности достигается использованием комплекса амплитудно-частотных, временных и пространственных параметров (рис., табл.1).

Амплитудно-частотные параметры

➥ Основная статья: Частотные характеристики

Основными амплитудно-частотными параметрами являются частота и амплитуда активности. Амплитуда активности — это амплитуда волн, измеренная «от пика до пика». Амплитуда может быть оценена как средний показатель или может быть измерена в своем максимальном значении. ЭЭГ — метод регистрации «микроэлектрических» сигналов: амплитуда биоэлектрической активности мозга измеряется в пределах 10—100 мкВ. Для сравнения, амплитуда ЭКГ составляет 1—2 мВ, т. е. в 100 раз больше.

Активность, как правило, состоит из волн с различающейся амплитудой. Более того, некоторые виды активности подвержены так называемому эффекту амплитудной модуляции: амплитуда волн закономерно увеличивается до определенного уровня, а затем уменьшается. Поэтому для характеристики используют среднюю амплитуду активности — усредненная амплитуда волн, составляющих активность.

Таблица 1. Параметры электроэнцефалографического сигнала

ПараметрыОпределение
ЧастотаКоличество колебаний в 1 с
АмплитудаСредняя амплитуда активности, измеренная «от пика до пика»
ИндексДоля, которую занимает активность от общего времени регистрации ЭЭГ
Форма волнВнешний вид волн (амплитудная модуляция, искажение быстрочастотной составляющей («заостренность»), полифазность и др.)
РаспределениеПредставленность ритма на конвекситальной поверхности
СимметричностьСовпадение частот, амплитуд и фаз активности ЭЭГ над гомотопными областями двух полушарий мозга
РеактивностьИзменение амплитудно-частотных параметров активности в ответ на внешнюю стимуляцию или спонтанно

Частота активности — это количество колебаний в 1 с. Единицей измерения частоты в Международной системе единиц измерения является Герц (Гц). Ранее в ЭЭГ частота активности измерялась в интуитивно понятной размерности «колебания в секунду» (кол/с).

ЭЭГ — это, как правило, нестационарный процесс, который представляет случайную сумму волн различной частоты и меняющейся амплитуды. Электрическая активность головного мозга человека включает волны различной частоты в полосе от 0,001 до 200 колебаний в секунду. С практической точки зрения, учитывая технические возможности большинства регистрирующих устройств, анализу подвергается активность в спектре 0,3—70 Гц. В непрерывном континууме активностей различной частоты, которые составляют суммарную ЭЭГ, условно выделяют пять общепринятых диапазонов частот (табл. 2). Их обозначают буквами латинского алфавита. Как следует из истории ЭЭГ, последовательность наименования частотных диапазонов имеет исторические корни, а не «алфавитные»: первыми были описаны колебания в диапазонах 10—12 Гц и более 14 Гц.

Таблица 2. Общепринятые частотные диапазоны электроэнцефалограммы

Наименование диапазонаГраницы диапазона, Гц
Дельтаδ0,5-4
Тетаθ4-8
Альфаα8-13
Низкочастотный бета (бета-1)β113-25
Высокочастотный бета (бета-2)β225-30
Гаммаγ30-70

Интегральные амплитудно-частотные параметры

Для целостной характеристики суммарной ЭЭГ используют интегральные амплитудно-частотные параметры: суммарная мощность и спектральный состав активности. Суммарная мощность — это условный параметр, определяемый как общая площадь под кривой ЭЭГ в данном отведении за выбранный отрезок времени. Условно этот параметр можно определить как «общее количество электричества», регистрируемое в отведении.

Активность различного диапазона частот вносит свой вклад в суммарную мощность ЭЭГ. Для количественной оценки этого вклада, как правило, используется процедура анализа Фурье. Основу этого метода составляет теорема французского социалиста-утописта Мари Шарля Франсуа Фурье (1772— 1837), согласно которой любое колебание может быть представлено как сумма гармонических (синусоидальных) колебаний. Наиболее часто в нейрофизиологии используют для «разложения» сложного колебания на гармонические составляющие так называемое быстрое преобразование Фурье. В результате Фурье-преобразования получают спектральный состав суммарной ЭЭГ. Спектральный состав — доля (в %) каждого частотного диапазона в общей мощности ЭЭГ сигнала.

Устойчивая, достаточно структурированная активность далеко не всегда занимает все время записи ЭЭГ. Происходит спонтанное чередование различных видов активности. Для характеристики представленности ритма (активности) во времени используют параметр индекс — доля (в %) времени, которую занимает данный ритм или активность от общего времени регистрации спонтанной ЭЭГ.

В некоторых случаях на фоне некой устойчивой активности внезапно появляются и также внезапно исчезают группы волн, резко отличающихся по своей частоте, амплитуде и (или) форме. Для обозначения таких феноменов используется описательный термин «вспышка». Понятие «вспышка» в общем не обозначает наличие патологии. Для характеристики вспышек патологической активности, например эпилептической, используется понятие разряд.

Распространение биоэлектрической активности по конвекситальной поверхности происходит неравномерно по довольно сложным закономерностям. Для пространственной характеристики активности используется термин «распределение» — представленность активности (ритма) над различными отделами конвекситальной поверхности.

Одним из основных критериев при анализе ЭЭГ является симметричность — степень совпадения частоты, амплитуды и фаз активности над аналогичными (гомотопными) областями двух полушарий мозга. Отражением функциональной асимметрии мозга выступает асимметрия электрической активности правого и левого полушария. Асимметрия может быть оценена для каждого ритма по его выраженности, амплитуде, индексу. Для количественной оценки симметричности используется коэффициент межполушарной асимметрии — выраженность (как правило, в%) различия параметров ЭЭГ (амплитуды, индекса) над аналогичными отделами правого и левого полушария мозга. Коэффициент асимметрии может быть определен по формуле:

Кр = (Ps + Pd) / (Ps – Pd),

где Кр — коэффициент асимметрии ритма по выбранному параметру; Ps, Pd — выбранный параметр ритма в конгруэнтных отведениях над правым и левым полушарием.

Для целостного описания суммарной ЭЭГ, характера распределения активности по конвекситальной поверхности используется термин паттерн (pattern) — общая картина, формируемая колебаниями биопотенциалов на «бегущем электроэнцефалографическом полотне».

Основные графоэлементы электроэнцефалограммы («начертательная ЭЭГ»)

На ЭЭГ здорового человека в состоянии спокойного бодрствования при закрытых глазах до 75—90 % времени регистрации занимают волны частотой около 10 Гц (от 8 до 13 Гц) синусоидальной формы и амплитудой порядка 20— 80 мкВ. Такую активность Ганс Бергер (1929) определил как «альфа-ритм». Поскольку данная активность — основной графоэлемент нормальной ЭЭГ, описание начнем с ее характеристики.

Частота альфа-ритма у разных людей заметно отличается, но она крайне стабильна для каждого человека. Формируется альфа-ритм в процессе созревания мозга к 14—16 годам.

Альфа-ритм
Рис. 2. Альфа-ритм

биоэлектрическая активность частотой 12 Гц амплитудой 60—80 мкВ, модулированная по амплитуде в «веретена», доминирующая в затылочных отведениях

Обычно амплитуда альфа-волн испытывает определенную модуляцию: плавно нарастает и плавно снижается. В результате этого, альфа-волны собираются в своеобразные «веретена», длительность которых колеблется от 0,5 до 10 с (рис. 2). Наличие веретен альфа-ритма отражает влияние восходящих активирующих систем на кору больших полушарий. На вершине «веретена» эти влияния минимальны, затем они постепенно увеличиваются и при появлении «перехвата» веретена, при котором амплитуда альфа-ритма резко снижается или вообще исчезает, влияние восходящих активирующих систем на кору является максимальным.

Блокада альфа-ритма на ЭЭГ
Рис. 3. Блокада альфа-ритма на ЭЭГ при открывании глаз (схема)

Альфа-ритм регистрируется на ЭЭГ при состоянии спокойного бодрствования, закрытых глазах и отсутствии внешних надпороговых сенсорных воздействий. Любая неспецифическая активация: открывание глаз, вспышка света, тональный щелчок, усиление внимания испытуемого и т. д„ ведет к угнетению, блокаде альфа-ритма. Такая реактивность альфа-ритма является одним из его наиболее существенных функциональных признаков (рис. 3).

Таким образом, общепризнанными критериями альфа-ритма являются следующие: 1) частота от 8 до 13 Гц, 2) доминирование ритма в теменно-затылочной области, 3) амплитудная модуляция ритмических колебаний («альфа-веретена») и 4) способность к реакции десинхронизации — депрессия ритма при реакции активации.

Бета-активность (13—35 Гц), как правило, наблюдаюется в лобных отделах мозга и на стыках веретен альфа-ритма. В норме бета-активность симметрична по амплитуде и не превышает 10—20 мкВ.

Гамма-ритм состоит из волн низкой амплитуды не более 5—10 мкВ, имеющих частоту 35—70 Гц. В норме у здорового человека высокочастотные ритмы регистрируются при значительном психоэмоциональном напряжении. В этом случае они выражены лучше в передних отделах мозга.

Тета-активность занимает участок полосы ЭЭГ от 4 до 8 Гц. Тета-актив-ность регистрируется, например, при снижении уровня бодрствования в начальные фазы сна.

Дельта-активность — активность частотой от 0,3 до 4 Гц. У здорового бодрствующего человека дельта-активность регистрируется только во время физиологического сна (рис. 4).

Медленноволновая активность на ЭЭГ
Рис. 4. Медленноволновая активность на ЭЭГ

«Ядром» суммарной ЭЭГ является активность альфа-диапазона. Поэтому при описании активности частотой менее 7—8 Гц используется термин «медленная активность», т. е. «медленнее» альфа-активности. Бета-активность характеризуется как «быстрая».

При относительно постоянной частоте следования волн активность приобретает ритмичный вид. Для описания такой ритмической активности используется термин «ритм». В зависимости от частоты, ритм получает соответствующее наименование, например альфа-ритм — активность устойчивой частоты 8—13 Гц или бета-ритм — ритмичные колебания частотой 14—29 Гц.