Электроэнцефалограф

Электроэнцефалограф или энцефалограф (англ. electroencephalograph, EEG machine) — это прибор для регистрации биоэлектрической активности мозга, которая отражает функциональное состояние головного мозга. Анализ функциональной активности головного мозга используется для диагностики патологической активности различного генеза: эпилепсии, опухоли, последствия черепно-мозговых травм, нарушения мозгового кровообращения, приобретённые и врожденные аномалии строения головного мозга. Процедура записи биоэлектрической активности называется электроэнцефалография (ЭЭГ), а получаемая запись – электроэнцефалограмма.

Рисунок 1. Электроэнцефалограф Нейровизор БММ

1 - электроэнцефалограф, 2 - лиды (провода соединяющие электроды и блок электроэнцефалографа), 3 - ЭЭГ шлем, 4 - стойка для фотостимулятора, 5 - фотостимулятор.

Установка для записи электроэнцефалограммы состоит из: электродов, лидов (провода соединяющие электроды с самим электроэнцефалографом), собственно электроэнцефалографа и компьютера для обработки полученных данных. В свою очередь сам электроэнцефалограф состоит из блока коммутатора, блока усилителей и фильтров, аналого-цифрового преобразователя(АЦП) и опционально может дополняться устройствами ввода и вывода информации.

Электроэнцефалография выполняется в несколько этапов: в первую очередь происходит регистрация электродами биопотенциалов головного мозга, далее биоэлектрическая активность усиливается и фильтруется, после чего происходит запись полученных данных. Полученные данные в дальнейшем обрабатываются и анализируется на компьютере. Анализ электроэнцефалограммы может производить специалист, который направил пациента на ЭЭГ: невролог, врач функциональной диагностики или другой медицинский специалист имеющий соответствующую подтвержденную квалификацию.

Назначение и применение

Электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет выявлять очаги патологической активности, оценивать функциональную работу и нагрузку на мозг, а также исследовать и выявлять нейродегенеративные расстройства головного мозга. Помимо этого, ЭЭГ широко применяется для реализации технологии интерфейс мозг-компьютер,1 а также исследования нейрофидбэка, который является частным примером  биологической обратной связи (БОС). Кроме того, на сегодняшний день активное развитие получили такие направления как нейрогейминг, нейромаркетинг и интегративное использование нейрогарнитур  вместе с технологиями виртуальной (VR) и дополненной реальности (AR).

Преимущественными отличиями электроэнцефалографии над другими диагностическими исследованиями мозга являются:

  • относительная дешевизна процедуры;
  • широкая распространенность электроэнцефалографов в медицинских учреждениях;
  • высокое временное разрешение ЭЭГ;
  • неинвазивность исследования;
  • отсутствие специальной подготовки к исследованию для пациента;
  • отсутствие лучевой нагрузки на пациента.

Историческая справка

Рисунок 2. Запись ЭЭГ электроэнцефалографом Ханса Бергера

Ганс Бергер первым записал биоэлектрическую активность головного мозга с помощью своего одноканального электроэнцефалографа, который осуществлял регистрацию биопотенциалов с помощью игольчатых электродов, установленных под кожу черепа, в лобном и затылочном отведении. Запись выводилась на фотобумагу, которая потом проявлялась.2

Рисунок 3. Ондулятор компании Western Union использовался в исследованиях слуха, а также для регистрации мозговых волн животных и людей

В своих работах Бергер выявил наличие альфа и бета-ритмов, а также описал зависимость электрической активности от функционального состояния мозга (изменения во сне, при гипоксии или анестезии), а также  показал, что неврологические заболевания (такие как эпилепсия) отражаются на электроэнцефалограмме. На родине, в Германии, Ганс Бергер не получил признания и дальнейшем центрами развития электрофизиологии стали США и Великобритания.

Так в США, уже в сентябре 1935 года Альберт Грасс собрал первые три электроэнцефалографа Grass Model 1, которые были предоставлены в Бостонском Городском госпитале пионерам электрофизиологии – Фредерику А. Гиббсу и Уильяму Ленноксу. На тот момент даже один аппарат был крайне громоздким, и занимал целую комнату. В 1937 году невролог Роберт С. Шваб открыл первый электроэнцефалограф в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне. Это был первый электроэнцефалограф в условиях стационара.3

К этому времени электроэнцефалографы могли писать уже несколько каналов, запись была автоматизирована и производилась с помощью пера на бумажную ленту шириной примерно 1,5-2 см.

К началу Второй мировой войны электроэнцефалография стала уже стандартной процедурой для выявления и исследования эпилепсии и других неврологических заболеваний. После войны, к середине 1950-х в США большая часть учебных больниц имела электроэнцефалографы.

В дальнейшем электроэнцефалографы становились компактнее и практические, увеличивалось количество каналов записи, формировались первые стандарты производства электроэнцефалографов и проведения записи. Так например, в 1950-х канадский нейрофизиолог Герберт Джаспер разработал и внедрил международную систему размещения электродов «10—20».

Следующим ключевым изменением электроэнцефалографов стал переход на цифровую запись электроэнцефалограммы в 1970-х. Переход на цифровую запись позволил внедрить множество математических способов обработки сигнала, например анализ Фурье, спектральный и корреляционный анализ и многие другие методы обработки сигнала.

Классификация

На сегодняшний день существует множество различных типов электроэнцефалографов, оптимизированных под решения специальных задач. Их можно классифицировать на стационарные, амбулаторные и портативные, а также мобильные электроэнцефалографы и нейрогарнитуры

Тип электроэнцефалографаСтационарный АмбулаторныйПортативныйМобильный / Нейрогарнитура 
Характеристика Позволяет провести полноценную клиническую запись высокого качества в лечебном учреждении. Позволяет провести ЭЭГ на дому. Амбулаторный аппарат ЭЭГ используется во время расширенного чтения ЭЭГ. Амбулаторные ЭЭГ, которые часто используются для диагностики нарушений сна или судорожных припадков, записывают до 72 часов, в то время как традиционные тесты ЭЭГ записывают в течение 1-2 часов.Представляет собой компактный прибор, который может  возить с собой мобильная бригада врачей.   Представляет собой прибор, как правило с более низкими показателями качества записи ЭЭГ, однако с возможностью проводить исследование в состоянии движения пациента (прибор имеет батарею и работает без подключения к сети), а также прибор стоит дешевле обычного электроэнцефалографа.
Рисунок 4. Пример стационарного электроэнцефалографа

1 - камера для ЭЭГ-видеомониторинга, 2 - монитор с данными ЭЭГ, 3 - электроэнцефалограф, 4 - шапочка с электродами, 5 - компьютер, 6 - фотостимулятор, 7- стойка для оборудования.

Стационарный, амбулаторный и портативный электроэнцефалографы представляют собой вариацию одной структурной схемы электроэнцефалографов и различаются между собой только форм-фактором измененным под определенные задачи, размерами и дополнительными опциями.

Так стационарный электроэнцефалограф позволяет записывать короткие и продолжительные ЭЭГ исследования в стационаре или в других лечебно-профилактических учреждениях. Позволяет проводить фото/аудио или фоностимуляции, а также при наличии дополнительного оборудования позволяет проводить ЭЭГ-видеомониторинг. Таким образом стационарный электроэнцефалограф обладает самым широким спектром возможностей, но в тоже время он обладает малой мобильностью из-за больших размеров.

Рисунок 5. Пример амбулаторной записи ЭЭГ

Амбулаторный электроэнцефалограф предназначен для проведения ЭЭГ записи вне лечебных учреждений. Он позволяет проводить длительные записи на дому для маломобильных пациентов, в комфортных для них условиях. Поскольку запись проводится дома, то она позволяет проводить более длительные исследования, а также в более привычной для человека обстановке, что уменьшает стресс-фактор и позволяет сделать ЭЭГ более информативным и позволяет выявить скрытые катализаторы эпилептиформной активности.

Рисунок 6. Портативный ЭЭГ комплекс для выездных обследований: Мицар-ЭЭГ-Порто

Портативный электроэнцефалограф обладает самыми минимальными размерами и помещается с сопутствующем оборудованием (электроды, аккамулятор и т.д.) в специальный небольшой контейнер для транспортировки. Портативный электроэнцефалограф позволяет проводить регистрацию биоэлектрической активности головного мозга на выездных обследованиях, а также в случаях когда необходимо проведение ЭЭГ исследованиях в экстренном порядке для немобильных пациентов: в реанимации или операционной.

Рисунок 7. Нейрогарниутра Emotiv EPOC

Нейрогарнитуры, как правило, представляют собой беспроводную мобильную систему ЭЭГ, которая позволяет собирать сигналы мозга как клинического, так и исследовательского уровня. Система устроена таким образом, что модуль для диагностики мозговой активности устанавливается на голове, после чего происходит соединение с контроллером.

Рисунок 8. Запись ЭЭГ посредством нейроганитуры во время физической нагрузки

Ряд современных нейрогарнитур позволяют устанавливать высокую частоту дискретизации (500 Гц), с высоким разрешением (24 бит), а последние разработки в сфере электродов позволяют создать наиболее оптимальное входное сопротивление, что в целом создает возможность снимать высококачественное ЭЭГ не только в неподвижном состоянии для пациента, но и при занятии физическими упражнениями, а также дает возможность проводить исследование мозговой активности во время ежедневной деятельности пациента, например для выявления скрытой эпилептиформной активности.

На сегодняшний день существуют нейроганитуры разной ценовой категории, под различные задачи, будь то нейрофитнес, оценка нейрональной активности при вождении автомобиля или исследование биоэлектрической активности мозга в различных спортивных дисциплинах. Наибольшее развитие на сегодняшних день нейрогарнитуры получили в направлении интерфейс-мозг компьютер.

Однако к минусам современных нейрогарнитур можно отнести низкое качество сигнала в большинстве моделей, поскольку они обладают небольшим количеством электродов (2-8) и слабой техническим оборудованием для удешевления итоговой цены. Также к минусам можно отнести низкую надежность сигнала при активных физических нагрузках и непродолжительный период действия беспроводных гарнитур.4

Принцип работы 

В первую очередь электроэнцефалограф регистрирует биоэлектрическую активность головного мозга через электроды, которые накладываются на голову в определенной проекции, которую определяют в зависимости от исследования. 

Рисунок 9. Схема наложения электродов 10-20, используемая в большинстве современных клинических исследованиях
Рисунок 10. Схема наложения электродов 10-10, в основном используемая в научных исследованиях

Регистрация ЭЭГ

Сигнал электрической активности головного мозга передается в аппаратную часть электроэнцефалографа, где усиливается (30—100 мкВ), проходит механическую фильтрацию (отсеиваются значения, которые не являются активностью головного мозга и фильтруются помехи сети, создаваемые соседней электротехникой) и преобразуется из аналогового в цифровой (т.е. дискретный), для последующей программной обработки получаемого сигнала. 

Рисунок 11. Процесс получения и обработки сигнала электроэнцефалографом

Recorder - преобразование аналогового сигнала в дискретный; Preprocessor - оцифровывание сигнала; Classifier - классификация, выделение с помощью математических методов анализа сигнала наиболее диагностически важных фрагментов записи, этот процесс является дополнительным и может производиться во время постобработки электроэнцефалограммы на компьютере с помощью специальных программ.

Устройство электроэнцефалографа

➥ Основная статья: Устройство электроэнцефалографа

Электроэнцефалограф состоит из блока коммутации, блока усилителя и фильтров, аналого-цифрового преобразователя и блока записи и ввода данных, процессорного блока, а также блоков стимуляции и генератора калибровочных сигналов.  

Опционально электроэнцефалограф может дополняться устройствами для проведения функциональных проб и ЭЭГ-видеомониторинга

Коммутационный блок представляет собой панель электроэнцефалографа с гнездами подключения лидов (провода соединяющие электроды и электроэнцефалограф). Коммутационный блок определяет количество подключаемых электродов. 

Рисунок 12. Структурная схема электроэнцефалографа

В блоке усилителя и фильтров происходит аппаратная обработка сигнала электроэнцефалографа. Усиление и фильтрация сигнала происходит в несколько этапов (каскадов) посредство фильтров высоких и низких частот, а также с помощью режекторного фильтра, отсеивающего электромагнитные помехи окружающих приборов и сети. 

Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал электроэнцефалографа в дискретный (цифровой), для компьютерной обработки сигнала. Как правило в современных электроэнцефалографах используются АЦП разрядностью 24 бита.5 

Блок ввода данных преобразует сигнал для его дальнейшей обработки процессорным блоком.  

Процессорный блок обрабатывает сигнал для его визуального представления (в виде электроэнцефалограммы). Далее возможен анализ электроэнцефалограммы на компьютере посредством специального программного обеспечения. 

Блок стимуляции является вариабельным (обязательными для электроэнцефалографа являются первые пять блоков). Он представляет собой различные устройства (фоно/фото/аудио-стимуляторы) для проведения функциональных проб для оценки мозговой деятельности. 

Генератор калибровочных сигналов необходим для настройки электроэнцефалографа перед исследованием. 

Основные характеристики электроэнцефалографа 

Частота дискретизации (англ. sample rate) определяет количество обращений к аналоговому сигналу в единицу времени. Иными словами, это интервалы времени, которые разделяют отдельные точки цифрового сигнала после аналого-цифрового преобразования. Частота дискретизации измеряется в герцах (Гц), или в sps (англ. samples per second). Как правило в современных приборах составляет не менее 250 Гц.6

Разрешение АЦП (англ. resolution) это минимальное изменение аналогового (непрерывного) сигнала, которое способен зарегистрировать и обработать аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Разрешение определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП (англ. number of bits) в свою очередь, определяет количество дискретных (прерывных)  значений, которые может дать на выходе преобразователь (АЦП). Разрядность измеряется в битах, и в большинстве современных электроэнцефалографии используется АЦП с разрядностью 24 бита. 

Полоса пропускания (англ. bandwidth) это эффективная полоса частот, которую электроэнцефалограф может измерить в соответствии с частотой дискретизации и внутренними фильтрами усилителя. Основная часть биоэлектрической активности головного мозга находятся в диапазоне частот от 0,5 Гц до 80 Гц. Так большинство электроэнцефалографов используют усилители с полосой до 30-40 Гц, т.к. основные ритмы ЭЭГ находятся в данном диапазоне частот (дельта (0,5 – 4 Гц), тета (4-8 Гц), альфа (8 – 12 Гц), бета ( 16-24 Гц)ритмы), что позволяет снизить уровень шума и сохранить при этом качество сигнала. Однако ряд исследований требуют более широкую полосу пропускания, например, при исследовании высокочастотного гамма ритма необходима полоса пропускания до 80 Гц.

Коэффициент подавления синфазного сигнала (англ. Common Mode Rejection Ratio, CMRR) это способность усилителя устранять синфазный сигнал. Чем выше это значение, тем лучше характеристики усилителя. В электроэнцефалографе CMRR должен ослаблять электрический шум 50/60 Гц  (который создается электромагнитным излучением компьютера и сети) при одновременном усилении чистой мозговой активности. 

Входное сопротивление (англ. input impedanceусилителя (импеданс усилителя) является сопротивлением первого каскада усилителя. Входное сопротивление усилителя имеет фиксированное значение, обычно в мегомном диапазоне (1 МОм = 1 000 000 Ом) или выше. Входной импеданс усилителя должен быть как можно более высоким (Примерно в 100 раз больше импеданса электрода), чтобы избежать ослабления амплитуды сигнала и уменьшения CMRR.

Входное сопротивление (англ. input impedance) электрода (импеданс электрода) определяется  импедансом между электродом и кожей. Определяется свойствами кожи, которые могут значительно варьироваться у разных людей, а также различается  в зависимости от расположения электродов, в зависимости от отдела головы (лобная, теменная, затылочная и височные доли) кожа будет различаться толщиной, разным слоем мертвых клеток кожи и количеством сальных желез, что напрямую влияет на входное сопротивление электрода. Чем меньше импеданс электрода, тем лучше для исследования, поскольку малое входное сопротивление электрода позволяет записывать более чистый сигнал.78910

Фильтрация сигнала    включает в себя настраиваемые фильтры высоких (ФВЧ) и низких (ФНЧ) частот, определяющие полосу пропускания, и режекторный фильтр, который способен избирательно уменьшать сигнал в узком частотном диапазоне. Также существует программная фильтрация сигнала, которая посредством использования специального программного обеспечения  позволяет устранять помехи создаваемые движением пациента или артефакты вызванные мышечной активность пациента, например миографические артефакты, вызванные морганием. 11

Количество каналов  (англ. channel) – определяет возможное количество подключаемых электродов. От количества электродов будет зависеть качество ЭЭГ,  как правило для клинических исследований используют схемы наложения электродов 10-20, которая, как правило, требует  от 16-21 и более электродов. Нейроганитуры часто используют меньшее количество каналов (от 2 и более), что негативно сказывается на качестве записи, но позволяет сделать прибор относительно недорогим и обеспечить комфортное использование аппаратуры в массовых масштабах. Для проведения научных исследований может использовать схема наложения электродов 10-10, количество электродов в которой может превышать 100 и более электродов и ограничено только особенностями исследования. 

Компании производители 

На сегодняшний день рынок российских электроэнцефалографов в России представлен такими компаниями как: 

Основный рынок сбыта для этих компаний на данный момент составляет Россия и страны СНГ, однако компании также известны и на международном уровне, что позволяет говорить о достаточно высоком качестве производимого оборудования. Продукция компаний различается по спектру производимого оборудования. 

Компания Нейрософт производит ЭЭГ оборудование для рутинной ЭЭГ, ЭЭГ- видеомониторинга, мониторинга церебральной функции, комплекс мониторинга для отделения  реанимации и интенсивной терапии (ОРИТ), оборудование для изучения биологической обратной связи (БОС), а также оборудование для мониторинга глубины наркоза, оборудование для проведения ЭЭГ на водительских комиссиях и комплекс оборудования для лабораторий. 

Компания Медицинские Компьютерные Системы (МКС)  производит оборудование для рутинной ЭЭГ, также  одноразовые  взрослые и детские ЭЭГ шлемы, которые можно использовать в неонатальной ЭЭГ, неврологии, нейрофизиологии, функциональной диагностики и научно-исследовательской ЭЭГ, вдобавок МКС производит оборудование для ЭЭГ мониторинг сна, ТМС-ЭЭГ, ЭЭГ высокого разрешения, МРТ-совместимое ЭЭГ и мобильные системы ЭЭГ, которые в свою очередь можно использовать в нейро-компьютерных интерфейсах, биологической обратной связи, нейромаркетинге, нейрогейминге, брейн-фитнесе.

Компания Нейротех производит оборудование для рутинной ЭЭГ, системы для  психофизиологического тренинга, эхоэнцефалографы, беспроводные электроэнцефалографы с  возможностью параллельной регистрацией сигналов трех полиграфических каналов: ЭМГ, ЭКГ и ЭОГ, а также оборудование для углубленного исследования нервных структур и вызванных потенциалов. 

Компания Медиком МТД производит оборудование для мониторинга церебральных функций мозга, электронейромиографы, автономные и стационарные электроэнцефалографы, многоканальные компьютерные комплексы с картированием для проведения электроэнцефалографических, реоэнцефалографических исследований и исследований вызванных потенциалов, оборудование для ЭЭГ-видеомониторинга, полисомнографы, оборудование для тренинга БОС и нейробиоуправления, психодиагностические комплексы, реографы-полианализаторы, мобильные многофункциональные комплексы, трассировщики взгляда миниатюрные беспроводные регистраторы ЭЭГ и биобраслеты. 

Компания Mitsar производит мобильные, портативные и стационарные комплексы для рутинной ЭЭГ и ЭЭГ-видеомониторинга, оборудование для нейроинтерфейса и нейровизоры, а также компания выпускает реографы и эхоэнцефалографы. 

Компания Неврокор производит оборудование для рутинной ЭЭГ, ЭЭГ-видеомониторинга, суточного автономного мониторинга ЭЭГ, полисомнографических обследований, оборудование для применение провокационных процедур, регистрации и анализа вызванных потенциалов, оборудование для восстановительной медицины и неврологии. 

Компания БИОЛА производит оборудование для рутинной ЭЭГ и ЭЭГ-видеомониторинга. 

Footnotes

  1. Глоссарий [Электронный ресурс]
  2. Ганс Бергер – “отец электроэнцефалографии”, Медицина: теория и практика, 2019
  3. Early History of Electroencephalography and Establishment of the American Clinical Neurophysiology Society, Journal of Clinical Neurophysiology, 2013
  4. Alex Lau-Zhu, Michael P.H. Lau, Gráinne McLoughlin, Mobile EEG in research on neurodevelopmental disorders: Opportunities and challenges, Developmental Cognitive Neuroscience, Volume 36, 2019, 100635, ISSN 1878-9293, doi: 10.1016/j.dcn.2019.100635.
  5. Блок АЦП [Электронный ресурс]
  6. Digital Signal Processing: Sampling Rates, Bandwidth, Spectral Lines, and more…, Siemens,  2020
  7. The Bitbrain Team, The Ultimate Guide of Technical Features of EEG Systems, Bitbrain, 2020
  8. Aitor Ortiz, Main features of the EEG amplifier explained, Bitbrain, 2020
  9. Emily S. Kappenman, Steven J. Luck, The Effects of Electrode Impedance on Data Quality and Statistical Significance in ERP Recordings, National Center for Biotechnology Information, 2010
  10. ick Kane, Jayant Acharya, Sandor Beniczky, Luis Caboclo, Simon Finnigan, Peter W. Kaplan, Hiroshi Shibasaki, Ronit Pressler  and Michel J.A.M. van Putteng, A revised glossary of terms most commonly used by clinical electroencephalographers and updated proposal for the report format of the EEG findings. Revision 2017, National Center for Biotechnology Information, 2017
  11. Глоссарий [Электронный ресурс]