Теория вопроса и метод выполнения работы. Цель работы:изучение принципа работы электроэнцефалографа, теории электроэнцефалографии и структурной схемы построения аппарата ЭЭГ.
Лабораторная работа № 8
МОДЕЛЬ ЭЭГ. ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФА
Цель работы:изучение принципа работы электроэнцефалографа, теории электроэнцефалографии и структурной схемы построения аппарата ЭЭГ.
Оборудование: лабораторная установка ФМБ-9К, имеющая сопряжение с компьютером.
Теория вопроса и метод выполнения работы
Электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод исследования головного мозга, основанный на регистрации его электрических потенциалов. ЭЭГ представляет собой сложный колебательный электрический процесс, который может быть зарегистрирован при расположении электродов на мозге или на поверхности скальпа, и является результатом электрической суммации и фильтрации элементарных процессов, протекающих в нейронах головного мозга.
Электроэнцефалография применяется при всех неврологических, психических и речевых расстройствах. По данным ЭЭГ можно изучить цикл «сон и бодрствование», установить сторону поражения, расположение очага поражения, оценить эффективность проводимого лечения, наблюдать за динамикой реабилитационного процесса. Большое значение ЭЭГ имеет при исследовании больных с эпилепсией, поскольку лишь на электроэнцефалограмме можно выявить эпилептическую активность головного мозга. Записанная кривая, отражающая характер биотоков мозга, называется электроэнцефалограммой.
Электроэнцефалограмма отражает суммарную активность большого количества клеток мозга и состоит из многих компонентов. Анализ электроэнцефалограммы позволяет выявить на ней волны, различные по форме, постоянству, периодам колебаний и амплитуде (вольтажу).
Электроэнцефалограмма здорового человека имеет характерные черты: от всех областей коры отводится ритмическая активность с частотой около 10 Гц и амплитудой 50-100 мкВ - альфа-ритм.НаЭЭГ регистрируются также другие ритмы: как более низкие - дельта- и тета- (2-4, 5-7 Гц), так и более высокие - бета-ритмы (13-30 Гц), но амплитуда в норме их невысока и они перекрываются альфа-колебаниями.
У здорового взрослого человека, находящегося в состоянии покоя, на ЭЭГ обычно выявляются:
а) альфа-волны (рис. 1), которые характеризуются частотой 8-13 Гц и амплитудой 30-100 мкВ, они симметричные, синусообразной формы, лучше выражены при закрытых глазах пациента, преимущественно определяются в затылочно-теменной области; эти волны нарастают и убывают спонтанно и обычно быстро исчезают, когда пациент сосредоточивает внимание или открывает глаза;
б) бета-волны (рис. 1) с частотой колебаний больше 13 Гц (чаще 16-30) и амплитудой до 15 мкВ, на нормальных электроэнцефалограммах они симметричны и особенно характерны для лобной области;
в) дельта-волны (рис. 1), имеющие частоту 0,5-3 Гц и амплитуду до 20-40 мкВ;
г) тета-волны (рис. 1) с частотой 4-7 Гц и с амплитудой в тех же пределах.
Электроэнцефалограмма изменяется при изменении функционального состояния. Например, при переходе ко сну доминирующими становятся медленные колебания, а альфа-ритм исчезает. При сильном возбуждении на фоне нарушения альфа-ритма выявляются резкие изменения: они проявляются в усилении медленных колебаний, иногда и бета-ритмов, нарушении регулярности и частоты альфа-ритма. Эти и другие изменения имеют неспецифический характер.
Рис. 1. Общий вид ритмов, регистрируемых на ЭЭГ
Приборы и оборудование
Для изучения принципов работы аппарата ЭЭГ и методов снятия электроэнцефалограммы предназначена учебная модель – лабораторная установка ФМБ-9К, имеющая сопряжение с персональным компьютером (ПК). Блок-схема учебной установки изображена на рис. 2.
Конструктивно учебная лабораторная установка состоит из макета головы человека и «БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ», эмулирующего работу аппарата ЭЭГ. На макете в соответствующих местах выведены контакты, показывающие условно электроды, используемые для снятия биопотенциалов мозга в соответствующих участках («шапочка» реального аппарата ЭЭГ). При подключении электродов макета к «БЛОКУ УПРАВЛЕНИЯ» происходит симуляция снятия ЭЭГ. Учебная установка представляет собой модель 16-канального электроэнцефалографа.
Для визуализации и последующего анализа сигналов ЭЭГ используются свободно распространяемые программные пакеты CoolEdit Pro либо Audacity.
Рис. 2. Принципиальная блок-схема учебной установки для исследования основ электроэнцефалографии
Порядок выполнения работы
1. Поставьте переключатель «СЕТЬ» на панели учебного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный индикатор «СЕТЬ».
Следует учитывать, что при включении учебной установки клавишей «СЕТЬ», кнопка «РАЗДРАЖИТЕЛЬ» должна быть отжата, в противном случае прибор выдаст сообщение «Click Q-EPI button» и кнопку необходимо отжать перед началом эксперимента.
2. Запустите программу-осциллограф CoolEdit Pro для работы с учебной установкой для данного эксперимента, пользуясь ярлыком на рабочем столе.
3. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ» выберете режим здоровый «Healthy». При этом рядом с выбранным режимом на LCD индикаторе отображается символ «>».
4. Войдите в данный режим, нажав кнопку «ЗАПУСК/ВХОД».
5. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ» выберете из списка, какой либо электрод, с которого будет наблюдаться сигнал.
6. Запустите эксперимент нажатием кнопки «ЗАПУСК/ВХОД».
7. В главном окне программы CoolEdit Pro командой File → New создать новый проект. В настройках проекта выбрать частоту дискретизации «Sample Rate» (рекомендуется 44100), Channel - режим «Mono» и Resolution – 16 Bit.
8. Для начала записи сигнала, поступающего на линейный вход ПК, нажмите кнопку «ЗАПИСЬ» на панели управления программы CoolEdit Pro (выделена стрелкой на рис. 3).
ПАУЗА ЗАПИСЬ ИЗМЕНЕНИЕ МАСШТАБА
Рис. 3. ЭЭГ, полученная на учебной установке ФМБ-9,
соответствующая здоровому человеку
9. Записывать ЭЭГ для данного электрода необходимо в течение 5 секунд, после чего нажать на кнопку «ПАУЗА ||» в программе Cool Edit Pro (см. рис. 2). В процессе работы в on-line режиме возможны задержки срабатывания кнопок управления программы до 5 секунд.
10. Во время записи в случае необходимости следует увеличить амплитуду записываемого сигнала с помощью кнопок управления амплитудой по оси 0y в программе (выделены эллипсом на рис. 3). При записи нормальной ЭЭГ следует установить амплитуду сигнала такой, чтобы кривая по оси 0y занимала примерно одну клетку (для наглядности) и в дальнейшем в течение опыта для данного электрода масштаб по оси амплитуд не менять.
11. В результате работы программы должна быть получена кривая ЭЭГ вида рисунка 3, соответствующая альфа-ритму здорового человека.
12. Остановите эксперимент, нажав кнопку «ВЫХОД/СТОП» на пульте управления. Повторно нажав кнопку «ВЫХОД/СТОП», перейдите в главное меню прибора.
13. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ» выберете режим калибровки «Calibration». При этом рядом с выбранным режимом на LCD индикаторе отображается символ «>».
14. Войдите в данный режим, нажав кнопку «ЗАПУСК/ВХОД».
15. Повторно нажав кнопку «ПАУЗА ||» в программе запишите серию калибровочных импульсов. При этом амплитуду по оси 0y (делитель) не менять.В режиме калибровки на линейный вход звуковой карты ПКподаются прямоугольные импульсы с амплитудой 50 мкВ, длительностью t1 = 100 мс и частотой следования 1 Гц (период T = 1 сек). Правильный вид записи ЭЭГ и калибровочных импульсов представлен на рис. 4.
Рис. 4. ЭЭГ, полученная на учебной установке ФМБ-9, соответствующая
здоровому человеку и серия калибровочных импульсов амплитудой 50 мкВ
16. В программе предусмотрена возможность выделения нужного фрагмента по времени. Выделение осуществляется удерживая левую кнопку мыши, после чего необходимо нажать кнопку «Zoom to Selection» в программе. Таким образом, можно изменить масштаб по оси 0x (времени). Текущее положение курсора указывается большими цифрами под графиком в формате минуты.секунды.миллисекунды.
17. Начало, конец и длительность выделения указывается табличке, расположенной справа от больших цифр: Sel Begin, Sel End, Sel Length рис. 5.
18. Сохраните результаты работы в файл формата mp3, воспользовавшись командой File – Save As... и приступайте к анализу снятой вами ЭЭГ для данного электрода.
19. Выделите промежуток Δt длительностью 2-4 секунды и посчитайте количество волн (пиков) N, укладывающих в данный промежуток. Разделив это количество на время, получим условную частоту альфа-ритма: 
.
20. Определите коэффициент чувствительности KY оси 0y в программе как отношение амплитуды известного калибровочного прямоугольного импульса Aп = 50 мкВ к количеству клеток 
, занимаемого этим импульсом по оси 0y:
.
21. При этом количество клеток может быть дробным, например Δy = 0,5 клетки (определяется условно на глаз).
| Увеличение выбранного отрезка | Масштаб по оси времени 0x | Масштаб по оси амплитуды 0y |
Рис. 5. Изменение масштаба по осям координат
22. Измерьте амплитуды всех видимых вами на выделенном отрезке пиков ЭЭГ в клетках координатной сетки в программе, и, зная значение коэффициента чувствительности KY, вычислите амплитуды в микровольтах как Ai = KY·Δyi [мкВ], где Δyi – количество клеток по оси 0y, занимаемое пиком с условным номером i, Ai – его амплитуда в микровольтах, i = 1, 2, …, n.
23. Вычислите среднее значение амплитуды альфа-ритма для данного электрода как
,
где n – количество пиков, для которых Вами были проведены измерения, А1 … An – соответствующие амплитуды этих пиков.
24. С помощью многофункциональных кнопок управления «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ» выберите из списка другой электрод в режиме здоровый «Healthy», с которого будет наблюдаться сигнал и повторить действия пп. 5-23 для данного электрода.
25. По результатам эксперимента заполните таблицу 1.
Таблица 1. Характеристики альфа-ритма здорового человека
| Электрод | Δt, с | N |  ,с-1 | Aп, мкВ | Δy |  , мкВ | Δyi | Ai = KY·Δyi |  |
| Fp1 | |||||||||
| Fp2 | |||||||||
| F3 | |||||||||
| F4 | |||||||||
| F7 | |||||||||
| F8 | |||||||||
| T3 | |||||||||
| T4 | |||||||||
| C3 | |||||||||
| C4 | |||||||||
| T5 | |||||||||
| T6 | |||||||||
| P3 | |||||||||
| P4 | |||||||||
| O1 | |||||||||
| O2 | |||||||||
26. Повторите указанные действия для всех электродов макета головы. Особое внимание следует уделить затылочным электродам О1, О2. Так как на эти электроды поступает сигнал со зрительных центров, то в норме амплитуда альфа-ритма для данных отведений повышена, что свидетельствует о зрительной активности.
27. Расположите для наглядности фотостимулятор перед глазами макета головы человека, запустить режим здоровый «Healthy» и начните запись с какого-либо электрода. Во время записи включите фотостимулятор с помощью кнопки «РАЗДРАЖИТЕЛЬ», при этом фотостимуляция вызовет изменения на ЭЭГ, характерные для эпилепсии рис. 6.
Рис. 6. Эпилептический припадок, вызванный фотостимуляцией пациента.
Слева наблюдается альфа-ритм, после начала фотостимуляции кривая ЭЭГ
становится характерной для эпилепсии
НАЧАЛО 
ФОТОСТИМУЛЯЦИИ
28. Во время работы фотостимулятора кнопки управления блокируются для изменения режима работы необходимо сначала отключить «РАЗДРАЖИТЕЛЬ» соответствующий кнопкой пульта управления.
29. Сравните амплитуды альфа-ритма и амплитуды кривой ЭЭГ при эпилепсии. Оценить амплитуду ЭЭГ при эпилепсии в микровольтах, используя режим калибровки при данном коэффициенте усиления в программе, аналогично действиям, описанным пп. 12-23.
30. Для наблюдения и анализа кривых, соответствующих человеку больному эпилепсией, в главном меню управления учебным прибором выберете режим «ЭПИЛЕПТИК EPI seizures» с помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ». При этом рядом с выбранным режимом на LCD индикаторе отображается символ «>». Войдите в данный режим, нажав кнопку «ЗАПУСК/ВХОД».
31. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ/ОТВЕДЕНИЯ» выберете из списка, какой либо электрод, с которого будет наблюдаться сигнал.
32. Проведите запись и анализ ЭЭГ согласно пп. 6-23 для каждого электрода.
33. По результатам эксперимента заполните таблицу 2.
Таблица 2. Характеристики альфа-ритма человека, больного эпилепсией
| Электрод | Δt, с | N | ,с-1 | Aп, мкВ | Δy | , мкВ | Δyi | Ai = KY·Δyi | |
| Fp1 | |||||||||
| Fp2 | |||||||||
| F3 | |||||||||
| F4 | |||||||||
| F7 | |||||||||
| F8 | |||||||||
| T3 | |||||||||
| T4 | |||||||||
| C3 | |||||||||
| C4 | |||||||||
| T5 | |||||||||
| T6 | |||||||||
| P3 | |||||||||
| P4 | |||||||||
| O1 | |||||||||
| O2 | |||||||||
34. По окончании работы следует закрыть программу-осциллограф и выключить компьютер согласно стандартным действиям.
35. Отключите установку от сети, поставив переключатели «СЕТЬ» на панели БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ в положение «ВЫКЛ».
36. Сравните данные таблиц 1 и 2, сделайте выводы.
Контрольные вопросы
1. Сложное периодическое колебание, его характеристики. Что такое основная частота сложного колебания?
2. Как формулируется теорема Фурье?
3. Электрическая активность мозга. Схема измерительного канала электроэнцефалографа. От чего зависит характер биоэлектрической активности мозга?
4. В чем заключается метод электроэнцефалографии?
5. Что такое электроэнцефалограмма? Каковы особенности электрических колебаний, регистрируемых на электроэнцефалограмме?
6. Характеристики электрической активности: средняя амплитуда, средняя частота колебаний.
7. Какие ритмы различают при изучении электрической активности мозга, какие они имеют параметры и при каких условиях они проявляются в ЭЭГ человека?
8. Что такое спайк?