Усилители, регистрирующие устройства - клиническая электроэнцефалография
УСИЛИТЕЛИ
Общий принцип усиления заключается в том, что на особом элементе (лампе, транзисторе) происходит использование сигнала малой мощности (например, разности потенциалов мозга) для управления энергией специального источника питания. В результате на выходе получается более мощный сигнал, поступающий в регистрирующее устройство и отражающий с возможной точностью параметры входного (малого) сигнала. Подробно принципы работы усилителей и способы соединения усилительных каскадов разобраны в специальных руководствах (К. Е. Эрглис, И. П. Степаненко, 1961- Ю. Г. Кратин и др., 1963), и здесь мы на них останавливаться не будем.
Связь между усилительными каскадами. Так как при записи ЭЭГ для получения на выходе требуемой величины сигнала усиления одного каскада недостаточно, используют последовательное соединение нескольких каскадов: усиленный сигнал с выхода предыдущего поступает на вход следующего и т. д. до получения необходимого усиления. Наиболее широко используемым способом соединения отдельных ступеней усиления является емкостная связь между каскадами, т. е. связь через специальный разделительный конденсатор. Одновременно изменением величины емкости этого конденсатора связи достигается регулировка частотной полосы пропускания канала (см. стр. 35).
Общая блок-схема электроэнцефалографического усилителя представлена на рис. 1 блоками 5, 6, 7. Первоначально колебания потенциала ткани мозга, снимаемые с помощью электродов, поступают на входной каскад (5) усилителя напряжения каждого канала. К нему предъявляются наиболее жесткие требования, так как любая помеха, попавшая на входной каскад, затем будет усилена во много раз и забьет регистрацию потенциалов мозга. Для этого входные каскады делают только по двухтактной схеме, тщательно подбирая детали. Кроме того, входные каскады конструктивно отделяют от остальных и устанавливают их на амортизаторы, поскольку даже небольшие вибрации и толчки могут служить источником помех. Существенное значение для качества регистрации имеет величина входного сопротивления первого каскада. Это сопротивление накладывает ограничение и на величину переходного сопротивления электрода, о котором мы упоминали на стр. 22. При величине входного сопротивления усилителя R= 1 МОм переходное сопротивление для удовлетворительной регистрации не должно превышать 20кОм. Увеличение входного сопротивления до 100 МОм дает возможность отводить потенциалы с электродов с худшим контактом (большим переходным сопротивлением). Этим достигается и лучший результат в отношении подавления внешних помех, а также устраняется возможность шунтирования объекта (не происходит сильного искажения потенциалов и токов тканей измерительным прибором). Выходные и промежуточные каскады (6), которые доводят напряжение до нужной величины, являются усилителями напряжения. Однако для того, чтобы записать усиленный сигнал с помощью тех или иных электромеханических устройств, ему необходимо сообщить дополнительную мощность. Для этого применяют оконечные каскады, собранные на мощных лучевых тетродах но двухтактной схеме, в качестве анодной нагрузки которых подключается вибратор, приводящий в движение перо. В двухтактном усилителе, несмотря на симметрию схемы, возможны нарушения в режиме балансировки плеч. В результате этого через вибратор пойдет постоянная составляющая анодного тока, что вызовет отклонение пера вибратора от средней линии. Чтобы устранить это явление, на наружную плату энцефалографа выведен потенциометр для каждого вибратора (канала), регулировкой которого достигается взаимная компенсация составляющих анодного тока.
Шумы усилителей. Для определения собственных шумов усилителя его входы закорачивают (можно на электродной доске) через сопротивление 2—3 кОм, входной сигнал при этом естественно становится равным нулю. Однако если сделать усиление максимальным, то при включении регистрирующего устройства будет прописываться кривая сложной формы с амплитудой 1—2 мм, что соответствует уровню сигнала порядка 1—3 мкв. Это и есть величина шумов усилителя, представляющих непрерывные колебания величин зарядов и токов в различных сопротивлениях и лампах. Записанный шум относится прежде всего к первому каскаду, так как, будучи усиленным в первом и во втором каскадах, он во много раз превышает шум последующих ступеней усилителя. Этот шум определяет предел измерения минимальной величины потенциалов мозга, так как, если не используются специальные методы выделения сигнала из шума, то потенциалы меньше 3 мкв уже не могут быть с достоверностью отнесены к деятельности мозга и могут быть связаны просто с шумами усилителя. Для уменьшения уровня шумов в первом каскаде применяют особые малошумящие сопротивления и лампы.
РЕГИСТРИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Общий принцип чернильно-перьевом регистрации. Для записи ЭЭГ могут быть применены различные способы регистрации: на бумаге с помощью чернильно-перьевых самописцев, самописцев с использованием копировального метода (без чернил), струйные самописцы или фоторегистрация на катодных и шлейфных осциллографах. Последние позволяют регистрировать процессы с крутизной нарастания фронта до 100 мксек (соответственно частотам до 10000 Гц), т. е. практически все известные быстрые электрофизиологические процессы мозга. Недостатками этого метода являются применение дорогостоящих фотоматериалов, ограниченность запасов ленты в кассете, необходимость проявления и трудность создания многоканальных систем. Поэтому его применяют лишь при специальном изучении быстрых электрических процессов. Струйный метод позволяет совместить удобство видимой записи с возможностью регистрации широкого диапазона частот, который простирается от 0 до 1000 Гц. Однако при этом необходимо применять особые чернила высокого качества, изготовление которых представляет значительные трудности. Кроме того, при этом методе регистрации не удается получить тонкую струю, а это приводит к нежелательно «жирной» записи на низких частотах.
В большинстве современных электроэнцефалографов применяется регистрация на бумаге с помощью чернильно-перьевых самописцев. Она включает: 1) вибратор — преобразователь энергии колебаний электрических потенциалов, подаваемых с конечных каскадов усилителя, в механические колебания- 2) инструмент записи — перо и чернильница- 3) носитель записи — бумажная лента, протягиваемая равномерно при помощи специального лентопротяжного механизма
Рис. 9. Запись ЭЭГ при различной скорости протяжки бумаги (в различном масштабе времени).
1 секунда соответствует 0,1- 0,5- 1,5- 3 и 6 см на ленте. На этом и всех последующих рисунках отметка времени (над кривыми) подавалась маркером через 0,1 секунды. Под верхней кривой указывается момент открытия глаз (верхнее положение отметки — глаза открыты, нижнее — закрыты).
Как правило, вибратор устроен по электромагнитному принципу. Энергия электрических колебаний преобразуется в энергию магнитного поля катушек вибратора. Магнитное поле, воздействуя на чувствительную рамку, поворачивает ее, причем величина поворота пропорциональна напряжению, подаваемому на вибратор. На рамку насаживается перо, соединенное гибким капилляром с чернильницей, которое, соприкасаясь с бумагой, оставляет чернильный след, представляющий регистрируемый процесс. Механическая вращающаяся часть вибратора обладает большой инерцией, поэтому практически прибор не прописывает сигналы частотой свыше 100 Гц. Запись осуществляется на писчей бумаге, которая равномерно протягивается под перьями по плоскости стола прибора.
Масштаб времени- зависимость вида ЭЭГ от различного масштаба времени, получение компрессированных электроэнцефалограмм. Переключатель редуктора позволяет установить различную скорость протягивания бумаги: 0,1- 0,5- 0,75- 1,5- 3- 6 и 12 см/сек и тем самым изменить масштаб времени записи. Действительно, так как скорость протягивания бумаги равномерна, т. е. u=const, то время t связано пропорционально с длиной пути 5, проходимого лентой: S=v-t. Тогда в зависимости от величины скорости движения одной секунде времени будет соответствовать: при v = 0,5 см/сек — 0,5 см на ленте- при у=1,5 см/сек—1,5 см- при v = 3 см/сек — 3 см и т. д.
Тогда альфа-волна длительностью 0,1 сек при масштабе 0,5 см = 1 сек на ленте занимает 0,5 мм и, следовательно, наряду с более частыми колебаниями не выявляется- напротив, более медленные волны (меньше 5 Гц) будут хорошо прописываться. При масштабе 1,5 см=1 сек альфа-волн располагается на 1,5 м ленты, т. е. уже выявляется, а при масштабе 3 см= 1 сек она занимает 3 мм и при этом различаются более мелкие детали. Для определения длительности какого-либо процесса (волны, латентного периода и т. д.) но записи необходимо значение, измеренное в единицах длины, разделить на скорость протягивания ленты, применявшуюся во время записи процесса:
На рис. 9 представлена запись ЭЭГ при различном масштабе времени (различной скорости протяжки бумаги). Наиболее удобной и обычно применяемой при записи ЭЭГ является скорость 1,5 см/сек (1 сек=1,5см, вторая кривая сверху), а при исследовании вызванных ответов и наблюдении более частых, чем альфа-ритм, колебаний применяется скорость 3 см/сек или даже 6 см/сек.
При исследовании суммарных колебаний мощности альфа-ритма и при регистрации медленной активности (меньше 5 Гц) применяется скорость записи 0,5 или 0,1 см/сек. Записанные таким образом ЭЭГ носят название компрессированных (Г. А. Шминке, 1954) и позволяют выявить суммарные колебания мощности альфа-ритма, характер веретен и др.
Таким образом, вид записываемого процесса зависит от масштаба времени, в котором производится запись, поэтому при регистрации ЭЭГ, так же как других физиологических показателей, необходимо указывать калибровку (масштаб) времени, позволяющую точно судить о частотных и временных слагаемых процесса.
