Спектральний аналіз еег - клінічна електроенцефалографія
Спектральний аналіз ЕЕГ, або обчислення спектра потужності, є подальше математичне перетворення авто- і кросскорреляціонной функцій ЕЕГ, їх кінцеве вираз. Обгрунтування застосування спектрального аналізу до ЕЕГ докладно наводиться в роботах D. Walter (1963), Hord з співавторами (1965), Л. Д. Мешалкина з співавторами (1965), А. М. Клочкова з співавторами (1967).
У кожній ЕЕГ є, як правило, не одна, а кілька різна виражених частотних складових. Спектр потужності відображає енергію кожної з частотних складових даної ЕЕГ. Обчислення спектру потужності дозволяє виділити з великою точністю частотні складові кожного процесу ЕЕГ і показати співвідношення в ньому різних частотних компонентів. Велика перевага обчислення спектра потужності полягає також у тому, що вся математична операція проводиться автоматично на електронній обчислювальній машині.
Так само як при частотному корреляционном аналізі, при проведенні спектрального аналізу ЕЕГ важливо правильно вибрати інтервал спостереження (або час аналізу ЕЕГ) і точність обчислення спектра. Це питання докладно розглядається в роботі Hord і співавторів (1965). Підбираючи необхідну точність обчислення, слід мати на увазі, що, як всякий аналіз, застосований до ЕЕГ, спектральний аналіз повинен сприяти більш правильному п точному розумінню процесу. Якщо взяти малу точність обчислення, наприклад інтервал обчислення 0,5-1 цикл / сек, то обчислений спектр покаже лише ті компоненти, які видно і при візуальному аналізі. Обчислені частотні смуги спектру, таким чином, будуть неінформативними. При зменшенні інтервалу обчислення до 0,3-0,2 цикл / сек точність обчислюється спектра повишается- в спектрі ЕЕГ при цій точності будуть виявлені частотні компоненти, як правило, не виявляються оком на ЕЕГ. При подальшому збільшенні точності обчислення - при зменшенні інтервалу до 0,1 і менше -можна більш детально простежити за ритмами ЕЕГ. Однак спектр виходить складним, з великою кількістю піків. Така картина спектра буде нестабільною: від інтервалу до інтервалу спостереження він буде змінюватися в своїх деталях. При спектральному аналізі ЕЕГ ставиться мета не тільки більш точно виявити її складові, а й визначити найбільш характерні для даного процесу риси, т. Е. Виявити точну і стабільну картину спектра. Дослідженням спектра з великою точністю на відносно невеликих відрізках ЕЕГ можна виявити деталі, типові для цього тимчасового інтервалу процесу. Однак при обчисленні спектра великого часового відрізку ЕЕГ відбудеться згладжування спектра, деталі цього спектра не повторяться, оскільки на спектрі малих відрізків знаходять відображення не тільки стаціонарні, а й перехідні процеси. Щоб виявити картину спектра, що включає найбільш характерні риси його, чи не ускладнену нестійкими деталями, потрібно вибрати для аналізу великий часовий відрізок ЕЕГ, що дозволяє отримати усереднену картину спектра. У більшості досліджень ЕЕГ людини за допомогою спектрального аналізу застосовуються інтервали спостереження тривалістю 1-2 хвилини. Однак в ряді робіт використовуються інтервали близько 0,5 хвилини.
Спектри потужності ЕЕГ здорових людей мають різний характер і відрізняються в залежності від досліджуваної області кори. При домінуванні в ЕЕГ альфа-ритму, як правило, на спектрограмі (СГ) виявляється чіткий пік у відповідній частині спектра, який вказує на те, що максимальна потужність даного процесу ЕЕГ доводиться на цю частоту. Пік, який реєструється на СГ, може бути різної ширини: ширина піку показує наявність в спектрі частот, близьких до домінірующей- чим ширше пік, тим більший набір частот і тим більше їх відхилення від домінуючих коливань. У ряді випадків можна бачити також в діапазоні альфа-ритму (або іншого домінуючого ритму) кілька піків, які вказують на наявність різних ритмів близької частоти. Однак ці піки, як правило, неустойчіви- вони можуть проявлятися на певному відрізку часу, але при більшому часу спостереження згладжуються. При спектральному аналізі ЕЕГ десинхронизированном характеру з відсутністю альфа-ритму на СГ виявляється рівномірне або майже рівномірний розподіл потужності по всьому досліджуваному діапазоні ритмів. При обчисленні спектра такий ЕЕГ на відрізку Уг хвилини може виявитися безліч піків, які, проте, мають близьку потужність і вказують на відсутність закономірного переваги якої-небудь частоти. Такий характер спектра називається шумовим.
Мал. 138. Різні форми спектрограм ЕЕГ з вираженим альфа-ритмом і десинхронизированное активністю. а - СГ з чітким піком в області альфа-частот (а1 відповідна ЕЕГ): б - СГ з широким піком в зоні альфа-ритму і наявністю інших складових (б1 - ЕЕГ): в - чіткий пік на СГ при відсутності на ЕЕГ ( в1) чітко помітною візуально ритмічної активності- г - СГ шумового характеру (г1 - відповідна ЕЕГ).
На рис. 138 наведені різні форми спектра ЕЕГ здорових людей з домінуванням альфа-ритму і з відсутністю альфа-активності. У першому випадку а СГ характеризується піком в зоні альфа-рітма- на ЕЕГ а1, чітко переважає альфа-ритм. На ЕЕГ б1 альфа-ритм виражений гірше-відповідно на СГ б є широкий пік, який вказує на нестабільність ритму альфа-коливань. Крім піку в діапазоні альфа-ритму, на СГ є і більш низькі складові в діапазоні дельта. Важливо відзначити, що візуальна оцінка ЕЕГ і дані спектрального аналізу нерідко не збігаються. При спектральному аналізі ЕЕГ, яка візуально оцінюється як десинхронизированном, в ряді випадків виявляється чіткий пік в діапазоні альфа-ритму. Так, у разі в ЕЕГ носить характер десинхронизированное. Однак на СГ є чіткий пік в зоні альфа-частот. ЕЕГ центральній області кори, наведена на рис. 138, г, також характеризується відсутністю чіткої періодики на ЕЕГ в цьому випадку і спектрограмма г виявляє шумовий характер ЕЕГ.
При обчисленні СГ можна охарактеризувати ЕЕГ по ряду параметрів. Одним з параметрів є середня потужність спектра М. Середня потужність спектра відображає усереднене значення потужності всіх частотних компонентів і характеризує спектр в цілому, незалежно від того, який він має характер - шумовий або виражається у формі піку. Другим параметром є дисперсія, про яку можна судити при обчисленні квадратного кореня з дисперсії Д. Цей параметр характеризує розкид потужностей різних частотних компонентів, що складають дану ЕЕГ.
ЕЕГ можна кількісно охарактеризувати за цими двома параметрами і по ним робити порівняння. Кожен спектр характеризується деяким рівнем Д + М, який визначає його середню потужність і коливання навколо цієї потужності. Виразність кожної частотної складової (кожного окремого піка тієї чи іншої частоти) щодо всього спектру визначається щодо показника Д + М. За пік в спектрі ми приймаємо відхилення на СГ вище рівня Д + М, т. Е. Що перевищує середнє відхилення. Коли на спектрі домінує одна частота, середня потужність і дисперсія виявляються щодо малимі- відповідно Д + М має також малу величину. Коли ж спектр носить шумовий характер, величини М і особливо Л досягають великих значень. Про стійкому домінуванні будь-якої частоти можна говорити лише в разі спектрів з чіткими піками. При шумовому спектрі не можна з достовірністю судити про становище того чи іншого піку, в тому числі максимально вираженого.
Він відображає ставлення потужності коливань даної частоти до середньої потужності. Це дозволяє порівнювати кількісно різні ЕЕГ по тій чи іншій частотної складової при нормованому діапазоні.
ЕЕГ здорових людей можна оцінити за допомогою спектрального аналізу за цими показниками. Однак в силу великої варіабельності ЕЕГ і відповідно спектрів в нормі поки важко дати кількісну характеристику СГ ЕЕГ здорових людей. Можна відзначити, що в нормі зустрічається кілька типів набору СГ різних областей кори, що відображають різні межцентральних відносини електричної активності. Першим типом є СГ з чітким піком в діапазоні альфа у всіх областях кори- при цьому пік всіх СГ відповідає одній і тій же частоті. Другим типом можна вважати СГ також з домінуванням чіткого піку в діапазоні альфа-ритму у всіх областях, проте частота альфа на С Г задніх відділів півкуль (потилично-тім`яних) вище, ніж на СГ передніх (центрально-лобових), на 1-3 Гц . У частині здорових людей на СГ центрально-лобових відділів кори є широкий пік в діапазоні альфа, що включає як частоти, властиві заднім відділам мозку, так і нижчі. Мабуть, альфа-активність центральних відділів кори відбувається від різних генераторів, є неоднорідною. Підтвердженням цього припущення є різна реакція альфа-активності центральних відділів кори здорових людей на аферентні роздратування, зокрема різна реакція при світлових подразненнях, про що вже говорилося раніше (див. Розділ 3, стор. 59). Типовим для частини здорових людей є шумовий спектр у всіх областях кори або шумовий спектр в передніх відділах кори при наявності чіткого ника в діапазоні альфа-ритму в задніх відділах півкуль.
Слід сказати, що, за рідкісним винятком, спектр передніх відділів кори у здорових людей багатший, ніж в задніх відділах.
Мал. 139. Три твань СГ, що відображають різну ступінь вираженості реакції засвоєння ритму світлових мигтіння в ЕЕГ.
Крім альфа-коливань, в центрально-лобових ЕЕГ виявляються більш низькі компоненти і більш високіе- величина D + M, як правило, більше, ніж на СГ потиличної і тім`яної областей. Однак у здорових людей здебільшого не виявляється піків в діапазоні бета-ритму і дуже рідко - в діапазоні низьких частот. Ці частоти мають шумовий характер на СГ. Своєрідні СГ скроневих відділів кори здорових людей. Вони часто мають схожість з СГ ЕЕГ задніх відділів півкулі. Однак в ряді випадків мають свою домінуючу частоту або їх СГ носять шумовий характер при наявності чіткого піку альфа на СГ інших областей кори.
Особливо цікаві дані, які отримані при спектральному аналізі під час застосування ритмічних подразнень, зокрема світлових мигтіння. Суттєвим є те, що спектральний аналіз при дослідженні ЕЕГ, особливо реакцій на ритмічне роздратування, дозволяє виявити і кількісно оцінити точно частотні складові в спектрі, також в тих випадках, коли вони маскували іншими коливаннями потенціалу.
На рис. 139 наведені ЕЕГ і СГ з різним ступенем вираженості реакції засвоєння ритму світлових мигтіння. На ЕЕГ чітко видна реакція засвоєння рітма- на СГ а - пік в області частоти світлового подразнення. На ЕЕГ б1 реакція засвоєння ритму менш отчетліва- на СГ б, крім максимального піку в області частоти фотостимуляції, є невеликий пік в зоні альфа-ритму. На ЕЕГ в1 реакція засвоєння ритму НЕ відна- на СГ пік в області частоти світлового подразнення виявляється, хоча він значно менше, ніж піки в області дельта- і альфа-ритмів. Величина засвоєного ритму на цих СГ різна: відповідно в першому, другому і третьому процесах вона дорівнює: 32,3- 19,0- 1,7.
Спектральний аналіз ЕЕГ хворих з вогнищевим ураженням головного мозку виявляє значні відхилення в СГ у порівнянні з нормою. СГ в зоні проекції пухлини відрізняються зрушенням максимуму спектра в бік низьких частот. При цьому спектр ЕЕГ в зоні осередкового ураження мозку частіше має шумовий характер, що відображає полиморфную дельта-активність. Оцінка такого спектру може бути дана або описова, або, крім зазначених вище, слід шукати ще й інші параметри для його кількісного визначення.
Істотно, що як і автокореляційна аналіз, спектральний аналіз дозволяє виявити відмінності електричної активності в зоні вогнища і прилеглих або симетричних областях кори в тих випадках, коли на підставі візуального аналізу ЕЕГ це важко. При цьому обчислення спектра потужності дозволяє дати точну характеристику частотним складовим ЕЕГ.
На рис. 140 наведені ЕЕГ, ЛКГ і СГ лобових відведень у хворого Н. з внутрішньомозкової пухлиною правої лобної ділянки. ЕЕГ аналізованих симетричних відділів кори при візуальній оцінці розрізняються не різко. На АКГ правої лобної ділянки (зона ураження) виявляється лише повільна компонента. На АКГ симетричною області «здорового» півкулі на тлі повільної складової є слабо виражені коливання в ритмі альфа. СГ правої лобної ділянки має максимальні піки в смузі повільних рітмов- СГ лівої лобної ділянки характеризується множинністю піків - носить шумовий характер. 
Мал. 140. ЕЕГ (а), АКГ (б), СГ (в) і дані середньої частоти і ефективної частотної смуги спектрів (г) у хворого з пухлиною правої лобної ділянки.
А - права лобова область-Б - ліва лобова область.
Для кількісного вираження змін спектра запропоновані обчислювані автоматично на машині величини середньої частоти (fcp) і ефективної частот смуги спектрів, які дозволяють представити дані ЕЕГ у вигляді спрощених графічних виразів і цифрових значень. На нижній частині цього малюнка наводяться графіки, що представляють середні частоти спектра і ефективні смуги спектра ЕЕГ в зоні ураження і в симетричній області здорового півкулі. Згідно з цими кількісними характеристиками, в ЕЕГ зони ураження є зміщення середньої частоти в сторону повільних ритмів (fср = 5,6 Гц), що означає загальну тенденцію процесу до замедленію- відносно мала величина ефективної частотної смуги спектру (А / еф = 6,3 Гц ) вказує, що в даній ЕЕГ електричні коливання мають переважно низьку частоту, мало отклоняющуюся від середньої. ЕЕГ симетричною осередку області - лівій лобовій - характеризується середньою частотою, що відповідає верхній межі альфа-ритму, і майже в 2 рази більшою порівняно з ураженої зоною кори ефективної частотної смугою спектра. Останнє вказує, що в ЕЕГ лобової області «здорового» півкулі є досить великий набір частот.
Отримані на ЕОМ кількісні характеристики спектра ЕЕГ можуть бути використані для точної оцінки в цифрах патологічних змін ЕЕГ і порівняння їх в різних областях кори і в ЕЕГ різних хворих (О. М. Гріндель, Г. Н. Болдирєва та ін., 1968).
В даний час досліджень із застосуванням спектрального аналізу ЕЕГ хворих, як із загальними ураженнями головного мозку, так і з вогнищевими ураженнями, небагато. Наявні роботи присвячені початкового етапу - вироблення методу застосування цього аналізу і з`ясування його можливостей для оцінки осередкової патології мозку. Однак ті переваги, які дає цей метод, безсумнівні в порівнянні не тільки з візуальною оцінкою ЕЕГ, але також з частотним і автокореляційна аналізом. Такі можливості, як повна автоматизація процесів обчислення на ЕОМ, велика точність, можливість отримати кількісні цифрові вираження, дозволяють сподіватися, що найближчим часом цей метод знайде широке застосування в клініці для оцінки змін ЕЕГ, реакцій на роздратування і для топічного діагнозу вогнищевих уражень головного мозку хворих з пухлиною, травмою, патологією судин мозку.
