Устройство электроэнцефалографа: блок усилителей и фильтров

 Амплитуда сигналов активности головного мозга, регистрируемых при электроэнцефалографии, мала и находится в диапазоне 30-100 мкВ (учитывая, что 1 мкВ = 0,000001 В), при этом получаемые сигналы могут быть искажены как техническими, так и физиологическими артефактами.1  Это обуславливает необходимость усиления в несколько тысяч раз импульсов, отражающих мозговую активность, при одновременном устранении шумов и артефактов. Данную функцию в аппарате ЭЭГ выполняет блок усилителей и фильтров.

Устройство и принципы работы блока усилителей и фильтров

Усилитель ЭЭГ – один из составных компонентов электроэнцефалографа, основная функция которого состоит в приеме и усилении сигнала, поступающего от электродов и коммутатора.

➥ Основная статья: Усилитель

Фильтр ЭЭГ – компонент электроэнцефалографа, функция которого заключается в избирательном пропускании сигнала, характеризующего мозговую активность, и устранении помех, шумов, артефактов и других компонентов, способных исказить полученный результат.

➥ Основная статья: ЭЭГ фильтры

Рисунок 1. Структурная схема электроэнцефалографа

При проведении электроэнцефалографии на поверхности кожи головы устанавливаются электроды, которые фиксируют электрические импульсы, исходящие от головного мозга. Регистрируемый сигнал проходит через схему защиты блока усиления, которая при возникновении перенапряжений сети предохраняет устройство от сбоев, а также защищает пациента от воздействия на него данного напряжения через электроды. Схема защиты состоит из последовательно соединенных конденсаторов, транзисторов и резисторов. Конденсаторы необходимы для подавления радиочастотных помех, поступающих через кабель электрода. Сеть транзисторов работает как защитные диоды-супрессоры, которые проводят ток, если напряжение на них находится в пределах от 0,2 В до 0,7 В, а резисторы в свою очередь препятствуют повышению напряжения свыше 0,7 В.2

Пройдя через схему защиты, сигнал направляется непосредственно в блок усилителей и фильтров. Число усилителей в нем равно числу каналов регистрации сигналов от головного мозга. На каждом канальном усилителе установлен полосовой фильтр для дифференцировки и раздельного проведения низко- и высокочастотных сигналов. 

В блоке усилителей и фильтров происходит несколько этапов обработки сигнала, в результате чего обеспечивается устранение внешних и внутренних шумов и артефактов.

Рисунок 2. Упрощенная схема усилителя ЭЭГ

electrodes - электроды, protection circuit - схема защиты, instrumentation amplifier - инструментальный усилитель (величина усиления 12 раз), amplifier - обычный усилитель (величина усиления 40 раз), 59Hz lowpass filter - низкочастотный фильтр (величина усиления 16 раз), common-mode signal from inputs - синфазный сигнал со входов, DRL - привод правой ноги (подавляет синфазные сигналы).

Рассмотрим устройство и принципы работы блока на примере усилителя ModularEEG.

В первую очередь поступающий от электродов сигнал проходит через высококачественный инструментальный усилитель, являющийся первым каскадом усиления. Данное устройство сравнивает уровни напряжения, которые фиксируются электродами, установленными в двух разных точках на поверхности кожи головы. Уровень сетевого шума в данных точках приблизительно одинаков, в то время как сигналы электрической активности головного мозга имеют разную величину, что позволяет выделить и подавить большинство шумов. В первом каскаде происходит усиление сигнала приблизительно в 12 раз.

Следующим этапом обработки является усиление сигнала во втором и третьем каскадах усилителя, при этом его амплитуда возрастает в 40 и 16 раз соответственно. Разделение процесса усиления на данном этапе обусловлено наличием между каскадами фильтра верхних частот. Данный фильтр пропускает высокочастотные импульсы, подавляя сигналы низкой частоты (см. Основные типы фильтров, используемые при электроэнцефалографии); он необходим для устранения смещения постоянного напряжения.

После прохождения через каскады усиления и фильтр верхних частот сигнал пропускается через фильтр нижних частот, который фильтрует импульсы, частотой ниже выбранной частоты среза, одновременно вызывая затухание высокочастотных шумов (см. Основные типы фильтров, используемые при электроэнцефалографии).[/efn_note]3

В состав блока усиления входит так называемая цепь Driven Right Leg (DRL) – электрическая цепь, получившая свое название  в честь одноименного электрода, который при записи ЭКГ прикрепляется к правой ноге. Назначение DRL заключается в уменьшении синфазных помех, таких как напряжение 50/60 Гц от линии электропередач. Он заменяет заземляющий электрод, который использовался в старых моделях ЭЭГ, и способен подавлять шум в 100 раз сильнее, чем инструментальный усилитель (см. Основные типы фильтров, используемые при электроэнцефалографии).[/efn_note]

После фильтрации и усиления сигнал готов для приема аналого-цифровым преобразователем.

Типы усилителей, используемые в работе ЭЭГ

Усилитель постоянного тока.  Постоянный ток представляет собой сигнал, имеющий постоянное значение. Как правило его принимают как базовый уровень, относительно которого колеблется активность ЭЭГ сигналов. В большинстве усилителей компонент постоянного тока выборочно исключается из фиксируемого сигнала, а базовая линия записанной ЭЭГ принимается равной нулю. В дополнение к составляющей постоянного тока опускаются также очень низкие частоты: в запись не входит диапазон, начиная от уровня постоянного тока (0 Гц) и заканчивая низкой частотой среза(около 1-2 Гц).

Усилитель с резистивно-емкостной связью – это усилитель, в котором  каскады последовательно соединяются через конденсатор и резистор.

Буферный усилитель (также называемый буфером) – это усилитель, обеспечивающий преобразование электрического импеданса при переходе сигнала от одной цепи к другой с целью предотвращения воздействия на источник сигнала любых токов или напряжений. Буферный усилитель напряжения используется для передачи напряжения от первой цепи, имеющей высокий уровень выходного сопротивления, во вторую цепь с низким входным импедансом. Таким образом промежуточный буферный усилитель предохраняет вторую схему от перегрузки и препятствует появлению помех.

Коэффициент усиления по напряжению буферного усилителя приблизительно равен 1, однако он имеет значительный коэффициент усиления по мощности.

Рисунок 3. Схема дифференциального усилителя

input 1 - вход 1(электрод), input 2 - вход 2 (электрод), amplifier - усилитель, EEG channel - канал ЭЭГ

Дифференциальный усилитель – тип усилителя, который определяет и усиливает “разницу” между входными напряжениями, поступающими от двух входов. Таким образом, выходной сигнал дифференциального усилителя пропорционален разности напряжений входных контактов.4

Рисунок 4. Принцип работы дифференциального усилителя

Дифференциальные усилители наиболее предпочтительны, так как они качественно устраняют синфазные помехи, артефакты и другие посторонние сигналы. Данная способность выражается коэффициентом подавления синфазных помех. Такие усилители позволяют проводить запись ЭЭГ в практически любом помещении больницы при условии отсутствия поблизости мощной электрической техники, рентген-аппаратуры, физиоаппаратуры.

Основные типы фильтров, используемые при электроэнцефалографии

Для записи ЭЭГ используют три основных типа фильтров: фильтры нижних частот, фильтры верхних частот и режекторные фильтры.5

Как упоминалось ранее, задача фильтра верхних частот – подавить низкочастотные сигналы, пропустив импульсы высокой частоты с минимальными изменениями. Предположение, что фильтр полностью исключит частоты, находящиеся ниже частоты среза, и не повлияет на высокочастотные сигналы, неверно. Так, при прохождении синусоидальной волны, находящейся точно на частоте среза, фильтр снижает ее амплитуду приблизительно на 30%. Волны с частотами ниже среза подавляются более, чем на 30% , причем уровень подавления будет увеличиваться при снижении частоты сигнала. Аналогично импульсы с частотами выше частоты среза ослабляются  фильтром, но не так выражено (менее, чем на 30%). 

Аналогичным образом, фильтры нижних частот выраженно снижают амплитуду высокочастотных импульсов, минимально подавляя при этом частоты ниже уровня среза. При объединении с фильтром верхних частот устанавливают полосу пропускания блока усилителей. 

Третий тип фильтров режекторный фильтр (также называемый Driven Right Leg –  DRL) — в отличие от предыдущих, подавляет сигнал определенной частоты (а не находящийся в пределах частотного диапазона). В Северной Америке переменный ток в стандартных электрических розетках имеет частоту 60 Гц; так как он является источником помех при записи ЭЭГ, режекторные фильтры настроены на ослабление и устранение сигналов данной частоты.

В странах, где частота сети составляет 50 Гц, с этой целью используются режекторные фильтры 50 Гц.

Рисунок 5. Фильтр верхних частот 5 Гц

Слева - синусоиды одинаковой амплитуды, но разной частоты. Справа - выходная волна после прохождения через фильтр 5 Гц

Рисунок 6. Кривая пропускания идеального режекторного фильтра 60 Гц

Вывод

Блок усилителей и фильтров ЭЭГ – это сложное, мультифункциональное устройство, обеспечивающее выделение и усиление биопотенциалов активности головного мозга для дальнейшей обработки сигнала без потери информативности и устранение помех, артефактов и других источников искажения результата.

На данный момент наиболее востребованы усилители, обладающие высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, высоким входным импедансом, устройства позволяющие производить запись ЭЭГ в без изолирующего оборудования и без ущерба качеству сигнала. 

Footnotes

  1. Гуляев С.А., Архипенко И.В. Артефакты при электроэнцефалографическом исследовании: выявление и дифференциальный диагноз // Русский журнал детской неврологии. 2012.№3
  2. Dan Griffiths, Nelo, Jim Peters, Andreas Robinson, Jack Spaar, Yaniv Vilnai, “The ModularEEG Design” (2003).
  3. ТЕРМИН: ФИЛЬТР НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ, LCARD [Электронный ресурс]
  4. The Differential Amplifier, Electronic Tutorials [Электронный ресурс]
  5. Filters in the Electroencephalogram, Neupsy Key [Электронный ресурс]