Калібрування каналу електроенцефалограф - клінічна електроенцефалографія

КАЛІБРУВАННЯ КАНАЛУ * електроенцефалографії
Для вимірювання амплітуди коливань потенціалів в ЕЕГ в абсолютних одиницях, а також для перевірки можливих частотних спотворень проводиться калібрування підсилювачів і всієї установки. Для цього на вхід підсилювача кожного каналу подається еталонне напруга від джерела. Найчастіше використовують калібрування у вигляді стрибка напруги, що подається від джерела постійного струму з подальшим дільником напруги. Величина калібрувального напруги зазвичай береться: 10- 25- 50- 100- 500 мкв, 1 і 10 мВ.

* Енцефалографіческіх каналом називається система, що складається з двох електродів, що відводять, блоку посилення і блоку записуючого пристрою.

Чутливість каналу. При подачі на вхід каналу стрибка напруги - відбувається відхилення пера самописця на деяку велічіну- Aq. ставлення -є величиною постоянной- воно не залежить ні від напруги, що подається, ні від величини відхилення пера, а визначається власними параметрами каналу. Розмірність чутливості [мкВ / мм]. Величина чутливості показує, який стрибок напруги необхідно подати на вхід каналу, щоб відбулося відхилення пера на 1 мм. Чим більше величина напруги, необхідна для цього, тим менше, отже, чутливість каналу *. Якщо ми змінимо параметри системи, наприклад збільшимо посилення, то відповідно збільшиться і чутливість, т. Е. Буде потрібно менший стрибок потенціалу, щоб викликати відхилення пера на 1 мм. Таким чином, між чутливістю і посиленням існує пряма залежність. Однак слід вказати на різницю цих характеристик, яке полягає в тому, що чутливість є характеристика всього тракту, включаючи і чернільнопішущее пристрій, в той час як посилення є характеристика тільки підсилювачів каналу і вимірюється воно коефіцієнтом посилення.
Для регулювання посилення, а отже, і чутливості застосовують як ступеневу зміна посилення, так і плавне. Воно проводиться за допомогою ручок, встановлених на передній панелі приладу для кожного каналу. Крім того, зазвичай є ступінчаста регулювання, загальна для всіх каналів. Ступінчаста регулювання зазвичай проводиться так, щоб коефіцієнт посилення всього підсилювача при перекладі перемикача в сусіднє положення змінився вдвічі (зменшився або збільшився), що відповідає в логарифмічною шкалою 6 дб. Плавне регулювання дозволяє змінити чутливість (амплітуду вихідного сигналу) за безперервною шкалою всередині кожного ступеня. Це особливо важливо тоді, коли потрібно вирівняти чутливість всіх каналів в багатоканальної установці так, щоб при подачі на входи одного і того ж каліброваного стрибка напруги амплітуда вихідних сигналів була однаковою. Ступінчаста регулювання, як правило, здійснюється між другими і третіми каскадами за допомогою дільника напруги, що підключається до сітки третього каскаду, плавна - перед вихідними каскадами.
Максимальна чутливість сучасних енцефалографом досягає 1-2мкВ / мм, т. е. під час надходження 10 мкв відхилення пера складе 10-5 мм. При такій чутливості будуть прописуватися шуми підсилювачів у вигляді нерегулярної кривої 1-2 мм. Звичайна чутливість при записі електроенцефалограми, амплітуда якої змінюється від 5 до 150 мкв, становить 5-10 мкВ / мм, При такій чутливості подача вхідного стрибка напруги в 50 мкв викликає відхилення пера 10-5 мм. На рис. 10 показано зміна виду ЕЕГ залежно від різної чутливості. Очевидно, що при великій чутливості (1,6 мкВ / мм) виявляються дрібні деталі, частина з яких пов`язана з шумами, частина - з неминучим елементом наводкі- мала чутливість (50 мкв / мм), навпаки, призводить до зменшення числа видимих деталей в електроенцефалограмі і погіршує її аналіз. Величина подається каліброваного сигналу вибирається залежно від величини чутливості так, щоб, з одного боку, перо не виходило за шкалу, з іншого, - щоб його відхилення зручно було міряти. Так, при чутливості 5-10 мкВ / мм зручніше брати величину каліброваного сигналу 50 мкв.
При записи електрокардіограми (ЕКГ), шкірно-гальванічної реакції (КГР) або електроміограми (ЕМГ), амплітуда яких більше, ніж в ЕЕГ, і може досягати декількох мілівольт, чутливість зменшують до 25-100 мкВ / мм. Таким чином, є загальне правило: чутливість каналу встановлюють залежно від величини записуваного сигналу так, щоб при заданому вхідному сигналі відхилення пера знаходилося в межах від 5 до 20 мм, а величина калібрувального сигналу, як сказано вище, буде вже визначатися величиною обраної чутливості.

  * Більш логічно брати зворотний величину А0 / U0, [мм / мкв], яка позначає, яке відхилення пера відбудеться при подачі на вхід одиниці напруги. У цьому випадку чим більше цей показник, тим більше чутливість каналу. Однак зручність перекладу в абсолютні одиниці і оперування з цілими одиницями призводять до того, що користуються зазвичай першої характеристикою.

Визначення амплітуди біопотенціалів в абсолютних одиницях (мкв) проводиться шляхом множення величини чутливості каналу на величину амплітуди коливань потенціалу, виміряну в міліметрах від піку до піку на кривій. U (мкв) = почуттів. (МкВ / мм) Х амп- літула (мм).
Нехай калібрувальний сигнал 50 мкв викликає відхилення пера на 7 мм, амплітуда даного коливання биопотенциала (від піку до піку) становить 8 мм (рис. 10, пунктир і стрілка). Потрібно визначити амплітуду його в абсолютних одиницях - мікровольтах. Чутливість каналу дорівнює: -= 7,1 мкВ / мм. Отже, амплітуда
биопотенциала в абсолютних одиницях (мкв) дорівнює: 7,1 мкВ / ммХ8 мм = = 57 мкв.
Частотна смуга пропускання каналу, її регулювання і вплив на вигляд ЕЕГ. Для правильної реєстрації та трактування ЕЕГ має значення не тільки величина амплітуди, але і неспотвореної її частотних складових. Під частотної смугою пропускання каналу енцефалографа розуміється залежність коефіцієнта посилення від частоти. В основному вона визначається частотною смугою підсилювача. Ця характеристика встановлюється при підключенні до входу генератора синусоїдальних напруг, а до виходу електронно-променевого осцилографа і лампового вольтметра. Амплітуду вхідного синусоїдального сигналу вибирають такий, щоб свідомо виключити вплив нелінійних спотворень. Напруга вхідного сигналу підтримують строго постійним, перевіряючи його по лампового вольтметру, а частоті надають різні значення. За допомогою електронно-променевого осцилографа вимірюють амплітуду посиленого сигналу при кожному значенні частоти. Отримані дані наносять на графік, де по осі абсцис відкладають частоту (або її логарифм для більшої компактності графіка), а по осі ордінат- відношення амплітуд поточної частоти до максимальної амплітуди для середньої смуги частот - А / Ао. Приклад такої амплітудно-частотної характеристики показаний на рис. 11, де 2 А / - частотна смуга пропускання, що дорівнює різниці} в-верхньої межі частоти, f&bdquo- - нижньої межіі /&bdquo-встановлюються або за умови А / Аlt; gt; = 0,9 (спотворення не перевищували 10% - верхня пунктирна лінія на рис. 11), або А / А0 = 0,7 (спотворення на рівні- Нижня пунктирна крива на тому ж малюнку). Найчастіше застосовується друга умова.

Мал. 10. Зміна вигляду ЕЕГ залежно від різної чутливості каналу, регульованого ручкою ступеневої посилення.
Цифри вгорі - величина подається каліброваного сигналу: цифри справа - величина чутливості в мкв / мм, що представляє відношення величини каліброваного сигналу до величини відхилення пера. Вгорі максимальна величина чутливості (1,6 мкВ потрібно для відхилення пера на 1 мм), внизу мінімальна величина чутливості (50 мкв потрібно для відхилення пера на 1 мм). Вимірювання амплітуди ЕЕГ для визначення її в мікровольтах показу але стрілками. Пунктирний прямокутник показаний найбільш часто вживаний калібрувальний сигнал (50 мкв) при відповідній чутливості (7.1 мкв / мм).

Мал. 11. Частотно-амплітудна характеристика підсилювача.
По осі абсцис - частота, по осі ординат - величина ослаблення амплітуди (у відсотках).
У сучасних енцефалографом частотна смуга пропускання встановлюється в межах від 0,2 до 100 гц (верхня межа, як було сказано вище, визначається інерційністю пише пристрою), і є регулювання для обмеження смуги як з боку нижніх частот, так і з боку верхніх частот. На рис. 12 показана частотна смуга пропускання каналу енцефалографа при різній постійної часу (обмеження знизу) і при різному введенні фільтрів (обмеження зверху).
Регулювання нижньої межі частотної смуги проводиться зазвичай зміною величини ємностей зв`язку між каскадами. Величина fH- нижньої прикордонної частоти в залежності від величини ємності визначається за формулою (Ю. Г. Кратин і ін., 1963, стор. 69):

де С - розділовий конденсатор- величина гс = СRвх називається постійної часу гратчастої ланцюга. Змінюючи величину тс (за допомогою зміни величини С), змінюють нижню частотну кордон пропускання каналу. Зазвичай різні положення постійної часу виведені па панель управління енцефалографа. У табл. 1 наведені найбільш часто застосовуються значення постійної часу і відповідні їм нижні межі частот, обчислені для двох рівнів:

т. е. для рівня, колиі

для рівня 10% спотворень, т. е. А = 0,9 А0. При пропущенні через канал енцефалографа каліброваного напруги у вигляді стрибка напруги останній спотворюється за рахунок процесів, що відбуваються під час заряджання і розряді розділових конденсаторів. Ці спотворення характеризуються величиною постійною часу-при більшій постійної часу спотворення менше і вихідний сигнал наближається до прямоугольному- зі зменшенням постійної часу прямокутний імпульс все більше і більше «зарізається» (диференціюється).

Мал. 12. Зміна частотної смуги, каліброваного сигналу і ЕЕГ при введенні, фільтрів.
1 - частотно-амплітудна характеристика каналу електроенцефалограф при введенні фільтрів №. 40, 20 Дд (права половина графіка) і при використанні постійного часу - 0,3. 0,1, 0,05 секунди (ліва половина графіка): Б - схема спотворень каліброваного сигналу при різних фільтрах (праворуч) і при різній постійної часу (зліва) - В - зміна ЕЕГ при регулюванні нижньої частотної кордону за допомогою постійної часу (I ) до верхньої частотної кордону за допомогою фільтрів (II).

На рис. 12, Б показана схематично залежність форми каліброваного сигналу на виході підсилювача від величини постійної часу, а на рис. 12, А наводяться для цих же значень постійної часу відповідні зміни в частотно-амплітудної характеристиці.

Таким чином, вже з вигляду каліброваного сигналу можна судити про нижній межі частоти пропускання. Коли ж застосовуються різні величини постійної часу? Ми вже наголошували, що тс = 1,5 секунди використовується при записі ЕКГ, КГР і інших фізіологічних процесів. Реєстрація ЕЕГ ведеться, як правило, при постійній часу тс = 0,3 секунди (/но.9=1 Гц). Для того щоб погасити повільні складові ЕЕГ, пов`язані з рухом очей, пульсовими хвилями, КДР, а також щоб усунути артефакти, пов`язані з рухом під час запису ЕМГ в якості контролю, ставиться постійна часу.

Для регулювання верхньої межі частотної смуги застосовуються фільтри верхніх частот (в радіотехніці вони називаються фільтрами нижніх частот відповідно по пропускання частот, що працюють за рахунок зміни постійної часу анодному ланцюзі (більш докладно про це розповідається у відповідних методичних посібниках: В. В. Артем`єва, Л. А. Варшавський, 1949 Л. С. Соколова, Л. І. Шванг, 1954- Ю. Г. Кратин, Н. П. Бехтерева та ін., 1963). На панелі енцефалографа зазвичай наводяться величини fB (різні фільтри), для яких при fПри подачі каліброваного сигналу у вигляді стрибка напруги постійна часу анодному ланцюзі та спотворює форму піка. При збільшенні постійної часу пік каліброваного сигналу згладжується, що відповідає звуження смуги за рахунок придушення верхніх частот (див. Рис. 12 права половина).
Таким чином, з вигляду каліброваного сигналу можна приблизно оцінити і верхню частоту пропускання каналу. За допомогою фільтрів з нижнім значенням 15, 20 і 25 Гц знімають наводку і м`язові потенціали. Фільтри, пропускають частоти до 60-80 Гц, використовують для запису частих коливань потенціалу [бета-ритм ЕЕГ, електроміограми (ЕМГ), електроцеребеллограмми (ЕЦГ) і ін.]. Залежність виду ЕЕГ від введення різних фільтрів верхніх частот видно на рис. 12, BII: введення фільтра на 20 Гц зменшує амплітуду бета-ритму, згладжує гострі хвилі і значно пригнічує м`язові потенціали, що реєструються при стисканні зубов- навпаки, при введенні фільтра на 80 Гц відзначаються збільшення амплітуди бета-ритму електроенцефалограми, загостреність коливань і значна амплітуда м`язових потенціалів, що реєструються при стисканні зубів. На калібрувальному сигналі, наведеному поруч, видно дію введення різних фільтрів на згладжена його піку (обведено пунктирним колом). При фільтрі 80 Гц пік різко загострений, а при фільтрі 20 Гц спостерігається сильна згладжена піку каліброваного сигналу.
Поняття фази, усунення фазових спотворень каналу, визначення зсуву фаз. При проходженні сигналу через канал енцефалографа відбувається його викривлення не тільки по частоті, але і по фазі. Фаза характеризує стан коливального процесу в даний момент часу. Нехай дано сигнал, що змінюється за синусоїдальним законом:

де А0 - початкова амплітуда сигналу, U (t) - поточна. При усуненні фазових спотворень отриманий зрушення фаз може бути віднесений за рахунок досліджуваних процесів. Як він тепер може бути знайдений? Для цього вимірюють відстань по тимчасовій осі (часове зрушення) між двома сусідніми максимумами цих двох сигналів (I і II на рис. 13, Б). Нехай знайдено значення М = 25 мсек (1,5 см / 60 см / сек = = 25 мсек- 60 см / сек - швидкість розгортки запису). Це значення саме по собі може служити показником фазових відносин, проте зазвичай фазу (зрушення фаз) висловлюють в градусах. Для цього визначають період процесу, т. Е. Відстань між максимумами двох хвиль. При цьому передбачається, що обидва процеси мають однакову частоту або відрізняються за періодом на величину багато меншу, ніж часове зрушення між двома цими процесами.
А - установка пір`я всіх каналів енцефалографа на одному рівні: а - правильно, б - НЕ правильно- Б - визначення фазового зсуву (пояснення в тексті).
Мал. 13. Усунення фазових спотворень.

У нашому прикладі-108 мсек. Тепер зрушення фаз (в градусах) знаходиться з пропорції: якщо зсув на період Т становить 360 °, то зрушення секунд становитиме

звідси, в нашому прикладі= 83 ° - отже,
зсув між процесами I і II становить по фазі 83 °. Якщо запис обох процесів ведеться з однаковою швидкістю, в даному прикладі - 60 см / сек, то можна зрушення фаз знаходити, підставляючи величини періоду і тимчасового зсуву, виміряні в міліметрах.
Якщо процес не синусоїдальний, наприклад викликаний відповідь, то за Т може бути взята тривалість основних однойменних хвиль викликаних відповідей. Зрушення фаз вважають позитивним (умовно), якщо перший процес випереджає другий і його потрібно зрушити на At одиниць назад з тимчасової осі, якщо ж перший процес доводиться зрушувати вперед до суміщення максимумів (зрушення проводиться в найближчу сторону), то зсув фаз вважають негативним (в нашому прикладі він негативний): таким чином ф1 = - 83 °.

Визначення зсуву фаз з урахуванням знака дозволяє судити про просторове поширення сигналу і є сутністю фазового аналізу. Він застосовується при дослідженні викликаних відповідей, що виникають в різних областях мозку, при аналізі ритмів ЕЕГ в сусідніх точках мозку, епілептоїдних розрядів, що реєструються під різними електродами, при спільному дослідженні ЕЕГ, реографічного хвиль і пульсограмми, при поліграфічної записи, т. Е. Всюди, де виникає питання про просторових і часових співвідношеннях різних сигналів.