Устройство электроэнцефалографа

Электроэнцефалограф (Electroencephalograph) – инструмент, применяющийся для снятия электроэнцефалограммы (электрической активности мозга).

Современные компьютеризированные электроэнцефалографы подразделяются на стационарные, используемые в поликлиниках и в специализированных лабораториях, а также портативные для регистрации ЭЭГ в реанимации или в больничной палате.

Обработка электрической активности мозга с помощью ЭЭГ
Основные элементы современной ЭЭГ-системы, включающей электроэнцефалографы серии Nation 7128W и ряд прикладных устройств регистрации ЭЭГ

Электроэнцефалографическая установка (электроэнцефалограф) состоит из коммутационного устройства, блока усиления с фильтрами высокой и низкой частоты и калибровочного устройства, отводящих электродов, соединительных проводов, устройств для фото- и фоностимуляции, позволяющие изучать вызванную активность мозга.

Коммутационное устройство служит для подключения электродов на разные каналы и входы усилителей. К коммутационному устройству относится панель с гнездами для подключения электродов. Основными требованиями при этом являются хорошие контакты и надежная изоляция гнезд.

Блок усиления с фильтрами высокой и низкой частоты и калибровочного устройства включает мощные усилители и узкополосные фильтры для выделения слабых сигналов ЭЭГ, поскольку амплитуда потенциалов ЭЭГ в норме не превышает 100 мкВ. Некоторые специальные сведения, касающиеся используемого прибора, можно найти в его техническом описании, с которым следует тщательно ознакомиться перед его эксплуатацией. В современных многоканальных электроэнцефалографах блоки усиления с фильтрами высокой и низкой частоты, калибровочные и коммутационные устройства смонтированы в одной операционной коробке.

Более подробно читайте статью: Усилитель

«Нейрон-Спектр-5»
Строение цифрового электроэнцефалографа на примере «Нейрон-Спектр-5»

Электроды – датчики, с помощью которых осуществляется отведение биоэлектрической активности с различных областей поверхности головы. Электроды должны иметь минимальное сопротивление, не окисляться и не поляризоваться, не должны иметь собственного шума, не должны существенно уменьшать сигналы в диапазоне от 0,5 до 70 Гц. Современные усилители с высоким входным импедансом позволяют успешно применять различные типы электродов и электродных паст. В клинической практике используются электроды различной конструкции (электроды-мостики, плоские электроды и др.). Эксперименты показали, что наилучшими являются хлорсеребряные или золотые чашечковые электроды, которые крепятся коллодием. В настоящее время используются специальные шлемы с вмонтированными в них электродами. Их удобно использовать, когда исследования проводятся в положении испытуемого лежа.

Более подробно читайте статью: Электроды.

Соединительные провода или лиды (англ. lead) должны осуществлять передаточную роль между электродами и коммутатором, не вносить никаких помех, что обеспечивается их надежной изоляцией, малым сопротивлением и хорошим экранированием от электромагнитных и электростатических полей.

Виды электроэнцефалографов

Современные электроэнцефалографы представляют собой многоканальные регистрирующие устройства, объединяющие от 8 до 24 и более идентичных усилительно-регистрирующих блоков (каналов), позволяющих таким образом регистрировать одномоментно электрическую активность от соответствующего числа пар электродов, установленных на голове обследуемого.

Структурная схема цифрового электроэнцефалографа.
Структурная схема цифрового электроэнцефалографа.

В зависимости от того, в каком виде регистрируется и представляется для анализа электроэнцефалографисту ЭЭГ, электроэнцефалографы подразделяются на традиционные «бумажные» (перьевые) и более современные — «безбумажные» (цифровые). В первых ЭЭГ после усиления подается на катушки электромагнитных или термопишущих гальванометров и пишется непосредственно на бумажную ленту. Электроэнцефалографы второго типа преобразуют ЭЭГ в цифровую форму и вводят ее в компьютер, на экране которого и отображается непрерывный процесс регистрации ЭЭГ, одновременно записываемой в память компьютера. На рис. представлена типовая структурная схема цифрового электроэнцефалографа. Чаще всего такие системы строятся на основе персонального компьютера, реже — на основе встроенного процессорного блока.

Бумажнопишущие электроэнцефалографы обладают преимуществом простоты эксплуатации и несколько дешевле при приобретении. Безбумажные обладают преимуществом цифровой регистрации со всеми вытекающими отсюда удобствами записи, архивирования, вторичной компьютерной обработки и др.

Классическая схема устройства и принцип работы

Входная коробка электроэнцефалографа

После отведения электрические потенциалы подаются на входы усилительно-регистрирующих устройств. Входная коробка электроэнцефалографа содержит 20-40 и более пронумерованных контактных гнезд, с помощью которых к электроэнцефалографу может быть подсоединено соответствующее количество электродов. Помимо этого, на коробке имеется гнездо нейтрального электрода, соединенного с приборной землей усилителя и поэтому обозначаемого знаком заземления или соответствующим буквенным символом, например «Gnd» или «N». Соответственно электрод, установленный на теле обследуемого и подсоединяемый к этому гнезду, называется электродом заземления. Он служит для выравнивания потенциалов тела пациента и усилителя. Чем ниже подэлектродный импеданс нейтрального электрода, тем лучше выровнены потенциалы и, соответственно, меньшее синфазное напряжение помехи будет приложено на дифференциальные входы. Не следует путать этот электрод с заземлением прибора.

В современных электроэнцефалографах электродная коробка обычно представляет единый блок с усилителями, а в безбумажных (компьютерных) системах содержит и блок аналого-цифрового преобразования ЭЭГ.

Блок усиления с регуляторами фильтров

Блок-схема электроэнцефалографа.
Блок-схема электроэнцефалографа.

1 — голова исследуемого с отводящими электродами (вид сверху); 2 — входная коробка; 3 — соединительные кабели; 4 — селекторный блок с переключателями для каждого канала; 5 — блок усиления с регуляторами фильтров высокой и низкой частоты (Ф) и грубой или плавной регулировки усиления (У); 6 — блок регистрации.

Усилительно-регистрирующие устройства, как правило, монтируются из двух отдельных блоков, связанных в свою очередь соединительным кабелем, — блока предварительного усиления и блока собственно регистрации. Блок предварительного усиления состоит из набора идентичных предварительных усилителей соответственно числу каналов регистрации. Каждый из каналов усиления имеет ручки управления, выведенные на переднюю панель блока предварительного усиления.

Прежде всего для каждого усилительного блока имеется многоконтактный коммутатор отведений ЭЭГ, позволяющий по каждому каналу коммутировать электроды, находящиеся на голове испытуемого в нужной комбинации. В коммутаторе входным клеммам усилителя, положительной и отрицательной, соответствуют ступенчатые переключатели, которые могут занимать одно из положений согласно нумерации контактных гнезд на входной коробке электроэнцефалографа. Таким образом, установив, например, на каком-либо канале переключатель, соответствующий отрицательной клемме, в положение 1, а переключатель, соответствующий положительной клемме, в положение 2, получают возможность регистрировать по этому каналу разность потенциалов между электродами, подключенными к гнездам 1 и 2 входной коробки электроэнцефалографа. При этом отрицательный сдвиг потенциала под электродом 1 будет сопровождаться отклонением кривой регистрации вверх. Кроме коммутации по отдельным каналам, большинство современных электроэнцефалографов позволяет с помощью специальных переключателей по заранее смонтированной схеме коммутировать в определенных комбинациях электроды сразу по всем каналам отведения. Обычно предусматривается 4-5 таких схем. Данная система коммутации обладает тем преимуществом, что избавляет от необходимости коммутировать отведения по отдельности на каждом из каналов усиления. В цифровых электроэнцефалографах все регулировки чувствительности и коммутации электродов осуществляются программно с клавиатуры компьютера или специализированного процессора. Регулировки чувствительности позволяют подобрать усиление таким образом, чтобы получить оптимальный режим регистрации в зависимости от амплитуды входного сигнала. Возможность регулирования коэффициента усиления прибора в широких пределах позволяет использовать электроэнцефалограф для записи не только ЭЭГ, но и других биологических сигналов, таких как ЭМГ, ЭКГ, а также сигналов от различного рода датчиков — преобразователей дыхания, сопротивления, механических колебаний и др.

Для задания полосы пропускания усилителя на каждом из каналов имеются регуляторы фильтров высокой и низкой частоты. Фильтр низкой частоты определяет верхний предел частот, которые будут без искажения пропускаться усилителем. Современные электроэнцефалографы позволяют регулировать этот предел в границах от 1500 до 15 Гц. Фильтры низкой частоты используют обычно в тех случаях, когда в записи присутствуют высокочастотные помехи, которые не могут быть исключены иным способом. В частности, при обследовании некоторых больных невозможно добиться достаточного расслабления; в таких случаях для исключения из ЭЭГ артефакта мышечной активности (ЭМГ) приходится пользоваться фильтрами высоких частот.

Регулировку нижней полосы пропускания электроэнцефалографа производят фильтрами высоких частот путем изменения постоянной времени усилителя. Ограничение нижней полосы пропускания прибора необходимо для исключения из записи артефактов медленных изменений потенциала кожи, изменений потенциала, связанных с незначительными смещениями электродов и изменениями в области контакта между кожей и электродом. По международному стандарту в электроэнцефалографии принята постоянная времени усилителя, равная 0,3 секунды, которая обеспечивает неискаженную регистрацию всех основных низкочастотных составляющих ЭЭГ. Чем больше постоянная времени, тем больше низкочастотных составляющих пропускается усилителем.

Калибровочное устройство

Для стандартизации режима работы электроэнцефалографа применяют калибровочное устройство. Это устройство подает одновременно на входы всех усилителей прямоугольный сигнал попеременно положительной и отрицательной полярности, амплитуда которого может быть различной в зависимости от выбранного масштаба усиления. Для записи ЭЭГ используют стандартный калибровочный сигнал, соответствующий 50 мкВ.

Омметр

Для проверки качества установки электродов имеется также омметр, позволяющий определить сопротивление (импеданс) в области контакта электрода с исследуемым объектом. Для получения правильной записи это сопротивление не должно превышать 20 КОм.

Блок регистрации электроэнцефалографа

После усиления сигнал подается в блок регистрации электроэнцефалографа. Кроме того, с блоков предварительного усиления электрическая активность может быть выведена с помощью дополнительных выходов на внешние системы регистрации или обработки: магнитописец, катодный осциллограф, анализатор-интегратор или специализированную ЭВМ.

В зависимости от особенностей конструкции блок регистрации электроэнцефалографа может содержать еще один каскад усиления или регуляторы нулевого уровня электроэнцефалографической записи. После этой ступени усиленные электрические потенциалы подаются на катушки магнитоэлектрических чернильнопишущих гальванометров. Переменное магнитное поле, возникающее в катушке в результате прохождения тока ЭЭГ, заставляет ее вращаться в поле постоянного магнита в направлении, зависящем от направления тока в катушке, и со скоростью и амплитудой, соответствующими изменениям тока. Запись этих механических движений производится металлическим капиллярным пером, связанным с катушкой гальванометра, на движущейся бумажной ленте чернилами, которые подаются в капилляр по гибкой трубочке из чернильницы.

Для осуществления движения бумажной ленты с постоянной скоростью в регистрирующем блоке имеется лентопротяжный механизм с переключателем скоростей. Стандартная скорость записи, принятая в клинической электроэнцефалографии, составляет 30 мм/с. При записи ЭЭГ ночного сна принят международный стандарт 15 мм/с. В блоке регистрации имеются отдельные тумблеры для включения и выключения перьев гальванометра и двигателя лентопротяжного механизма.

Использование металлических перьев для регистрации ЭЭГ вносит дополнительные изменения в запись. Металлические перья обладают существенной инерционностью и собственной резонансной частотой, что обусловливает различную точность воспроизведения колебаний в разных диапазонах частот. Практически колебания потенциала частотой выше 80-100 Гц металлическими перьями воспроизведены быть не могут, что и определяет истинную верхнюю полосу регистрируемой активности. Кроме того, частоты выше 30-40 Гц также оказываются несколько заниженными по амплитуде, что ограничивает возможности изучения с помощью чернильной записи ритмов ЭЭГ в диапазоне р- и у-частот. Из сказанного следует, что ограничение с помощью регуляторов частоты верхней полосы пропускания до 70-100 Гц не внесет существенных изменений в регистрируемую активность. Компьютеризированные устройства в принципе обеспечивают воспроизведение любых частот, и конкретная полоса пропускания определяется только специализацией и мерой универсальности электроэнцефалографической установки.

В цифровых электроэнцефалографах ЭЭГ записывается на диск компьютера с одновременным выводом изображения на экран. По окончании регистрации нужные страницы записи могут быть выведены в виде бумажной копии с помощью принтера или самописца.

Цифровые электроэнцефалографы, как и аналоговые, имеют входные коммутаторы, предварительные усилители и фильтры. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) обеспечивает возможность использования компьютера для дальнейшей обработки и хранения сигналов.

При достаточном быстродействии компьютера и канала ввода данных фильтрация сигналов может производиться программно, что упрощает построение аналоговых фильтров, обеспечивает стабильность характеристик тракта обработки сигналов, дает возможность оперативной регулировки частотной характеристики.