Калибровка канала электроэнцефалографа - клиническая электроэнцефалография

КАЛИБРОВКА КАНАЛА* ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФА
Для измерения амплитуды колебаний потенциалов в ЭЭГ в абсолютных единицах, а также для проверки возможных частотных искажений производится калибровка усилителей и всей установки. Для этого на вход усилителя каждого канала подается эталонное напряжение от источника. Чаще всего используют калибровку в виде скачка напряжения, подаваемого от источника постоянного тока с последующим делителем напряжения. Величина калибровочного напряжения обычно берется: 10- 25- 50- 100- 500 мкВ, 1 и 10 мВ.

*Энцефалографическим каналом называется система, состоящая из двух отводящих электродов, блока усиления и блока записывающего устройства.

Чувствительность канала. При подаче на вход канала скачка напряжения — происходит отклонение пера самописца на некоторую величину— Aq. Отношение -является величиной постоянной- оно не зависит ни от подаваемого напряжения, ни от величины отклонения пера, а определяется собственными параметрами канала. Размерность чувствительности [мкВ/мм]. Величина чувствительности показывает, какой скачок напряжения необходимо подать на вход канала, чтобы произошло отклонение пера на 1 мм. Чем больше величина напряжения, необходимая для этого, тем меньше, следовательно, чувствительность канала*. Если мы изменим параметры системы, например увеличим усиление, то соответственно увеличится и чувствительность, т. е. потребуется меньший скачок потенциала, чтобы вызвать отклонение пера на 1 мм. Таким образом, между чувствительностью и усилением существует прямая зависимость. Однако следует указать на различие этих характеристик, которое заключается в том, что чувствительность есть характеристика всего тракта, включая и чернильнопишущее устройство, в то время как усиление есть характеристика только усилителей канала и измеряется оно коэффициентом усиления.
Для регулировки усиления, а следовательно, и чувствительности применяют как ступенчатое изменение усиления, так и плавное. Оно производится с помощью ручек, установленных на передней панели прибора для каждого канала. Кроме того, обычно имеется ступенчатая регулировка, общая для всех каналов. Ступенчатая регулировка обычно производится так, чтобы коэффициент усиления всего усилителя при переводе переключателя в соседнее положение изменился вдвое (уменьшился или увеличился), что соответствует в логарифмической шкале 6 дб. Плавная регулировка позволяет изменить чувствительность (амплитуду выходного сигнала) по непрерывной шкале внутри каждой ступени. Это особенно важно тогда, когда требуется выровнять чувствительность всех каналов в многоканальной установке так, чтобы при подаче на входы одного и того же калибровочного скачка напряжения амплитуда выходных сигналов была одинаковой. Ступенчатая регулировка, как правило, осуществляется между вторыми и третьими каскадами с помощью делителя напряжения, подключаемого к сетке третьего каскада, плавная — перед выходными каскадами.
Максимальная чувствительность современных энцефалографов достигает 1—2мкВ/мм,т. е. при подаче сигнала 10 мкВ отклонение пера составит 10—5 мм. При такой чувствительности будут прописываться шумы усилителей в виде нерегулярной кривой 1—2 мм. Обычная чувствительность при записи электроэнцефалограммы, амплитуда которой меняется от 5 до 150 мкВ, составляет 5—10 мкВ/мм, При такой чувствительности подача входного скачка напряжения в 50 мкВ вызывает отклонение пера 10—5 мм. На рис. 10 показано изменение вида ЭЭГ в зависимости от разной чувствительности. Очевидно, что при большой чувствительности (1,6 мкВ/мм) выявляются мелкие детали, часть из которых связана с шумами, часть — с неизбежным элементом наводки- малая чувствительность (50 мкВ/мм), напротив, приводит к уменьшению числа видимых деталей в электроэнцефалограмме и ухудшает ее анализ. Величина подаваемого калибровочного сигнала выбирается в зависимости от величины чувствительности так, чтобы, с одной стороны, перо не выходило за шкалу, с другой,— чтобы его отклонение удобно было мерить. Так, при чувствительности 5—10 мкВ/мм удобнее брать величину калибровочного сигнала 50 мкВ.
При записи электрокардиограммы (ЭКГ), кожно-гальванической реакции (КГР) или электромиограммы (ЭМГ), амплитуда которых больше, чем в ЭЭГ, и может достигать нескольких милливольт, чувствительность уменьшают до 25—100 мкВ/мм. Таким образом, имеется общее правило: чувствительность канала устанавливают в зависимости от величины записываемого сигнала так, чтобы при заданном входном сигнале отклонение пера находилось в границах от 5 до 20 мм, а величина калибровочного сигнала, как сказано выше, будет уже определяться величиной выбранной чувствительности.

  *Более логично брать обратную величину А0/U0, [мм/мкВ], которая обозначает, какое отклонение пера произойдет при подаче на вход единицы напряжения. В этом случае чем больше это отношение, тем больше чувствительность канала. Однако удобство перевода в абсолютные единицы и оперирование с целыми единицами приводят к тому, что пользуются обычно первой характеристикой.

Определение амплитуды биопотенциалов в абсолютных единицах (мкв) производится путем умножения величины чувствительности канала на величину амплитуды колебаний потенциала, измеренную в миллиметрах от пика до пика на кривой. U(мкв) = чувств. (мкВ/мм) Х амп- литула (мм).
Пусть калибровочный сигнал 50 мкВ вызывает отклонение пера на 7 мм, амплитуда данного колебания биопотенциала (от пика до пика) составляет 8 мм (рис. 10, пунктир и стрелка). Требуется определить амплитуду его в абсолютных единицах — микровольтах. Чувствительность канала равняется: -=7,1 мкВ/мм. Следовательно, амплитуда
биопотенциала в абсолютных единицах (мкв) равна: 7,1 мкВ/ммХ8 мм = = 57 мкВ.
Частотная полоса пропускания канала, ее регулировка и влияние на вид ЭЭГ. Для правильной регистрации и трактовки ЭЭГ имеет значение не только величина амплитуды, но и неискаженность ее частотных составляющих. Под частотной полосой пропускания канала энцефалографа понимается зависимость коэффициента усиления от частоты. В основном она определяется частотной полосой усилителя. Эта характеристика устанавливается при подключении ко входу генератора синусоидальных напряжений, а к выходу электронно-лучевого осциллографа и лампового вольтметра. Амплитуду входного синусоидального сигнала выбирают такой, чтобы заведомо исключить влияние нелинейных искажений. Напряжение входного сигнала поддерживают строго постоянным, проверяя его по ламповому вольтметру, а частоте придают различные значения. Посредством электронно-лучевого осциллографа измеряют амплитуду усиленного сигнала при каждом значении частоты. Полученные данные наносят на график, где по оси абсцисс откладывают частоту (или ее логарифм для большей компактности графика), а по оси ординат— отношение амплитуд текущей частоты к максимальной амплитуде для средней полосы частот — А/Ао. Пример такой амплитудно-частотной характеристики показан на рис. 11, где 2 А/ — частотная полоса пропускания, равная разности }в—верхней границы частоты, f&bdquo- — нижней границыи /&bdquo-устанавливаются или при условии А/А<>=0,9 (искажения не превышали 10% — верхняя пунктирная линия на рис. 11), или А/А0 = 0,7 (искажения на уровне— нижняя пунктирная кривая на том же рисунке). Чаще применяется второе условие.

Рис. 10. Изменение вида ЭЭГ в зависимости от различной чувствительности канала, регулируемого ручкой ступенчатого усиления.
Цифры вверху — величина подаваемого калибровочного сигнала: цифры справа — величина чувствительности в мкВ/мм, представляющая отношение величины калибровочного сигнала к величине отклонения пера. Вверху максимальная величина чувствительности (1,6 мкВ требуется для отклонения пера на 1 мм), внизу минимальная величина чувствительности (50 мкВ требуется для отклонения пера на 1 мм). Измерение амплитуды ЭЭГ для определения ее в микровольтах показа но стрелками. Пунктирным прямоугольником показан наиболее часто применяемый калибровочный сигнал (50 мкВ) при соответствующей чувствительности (7.1 мкВ/мм).

Рис. 11. Частотно-амплитудная характеристика усилителя.
По оси абсцисс — частота, по оси ординат — величина ослабления амплитуды (в процентах).
В современных энцефалографах частотная полоса пропускания устанавливается в пределах от 0,2 до 100 гц (верхняя граница, как было сказано выше, определяется инерционностью пишущего устройства), и имеются регулировки для ограничения полосы как со стороны нижних частот, так и со стороны верхних частот. На рис. 12 показана частотная полоса пропускания канала энцефалографа при различной постоянной времени (ограничение снизу) и при различном введении фильтров (ограничение сверху).
Регулировка нижней границы частотной полосы производится обычно изменением величины емкостей связи между каскадами. Величина fH— нижней пограничной частоты в зависимости от величины емкости определяется по формуле (Ю. Г. Кратин и др., 1963, стр. 69):

где С — разделительный конденсатор- величина гс=СRвх называется постоянной времени сеточной цепи. Изменяя величину тс (с помощью изменения величины С), меняют нижнюю частотную границу пропускания канала. Обычно различные положения постоянной времени выведены па панель управления энцефалографа. В табл. 1 приведены наиболее часто применяемые значения постоянной времени и соответствующие им нижние границы частот, вычисленные для двух уровней:

т. е. для уровня, когдаи

для уровня 10% искажений, т. е. А=0,9 А0. При пропускании через канал энцефалографа калибровочного напряжения в виде скачка напряжения последний искажается за счет процессов, происходящих при зарядке и разряде разделительных конденсаторов. Эти искажения характеризуются величиной постоянной времени- при большей постоянной времени искажения меньше и выходной сигнал приближается к прямоугольному- с уменьшением постоянной времени прямоугольный импульс все больше и больше «зарезается» (дифференцируется).

Рис. 12. Изменение частотной полосы, калибровочного сигнала и ЭЭГ при введении, фильтров.
1 — частотно-амплитудная характеристика канала электроэнцефалографа при введении фильтров №. 40, 20 Гд (правая половина графика) и при использовании постоянного времени — 0,3. 0,1, 0,05 секунды (левая половина графика): Б — схема искажений калибровочного сигнала при различных фильтрах (справа) и при разной постоянной времени (слева)- В — изменение ЭЭГ при регулировке нижней частотной границы с помощью постоянной времени (I) к верхней частотной границы с помощью фильтров (II).

На рис. 12, Б показана схематично зависимость формы калибровочного сигнала на выходе усилителя от величины постоянной времени, а на рис. 12, А приводятся для этих же значений постоянной времени соответствующие изменения в частотно-амплитудной характеристике.

Таким образом, уже по виду калибровочного сигнала можно судить о нижней границе частоты пропускания. Когда же применяются различные величины постоянной времени? Выше говорилось, что тс = 1,5 секунды используется при записи ЭКГ, КГР и других физиологических процессов. Регистрация ЭЭГ ведется, как правило, при постоянной времени тс = 0,3 секунды (/но.9=1 Гц). Для того чтобы погасить медленные составляющие ЭЭГ, связанные с движением глаз, пульсовыми волнами, КГР, а также чтобы устранить артефакты, связанные с движением при записи ЭМГ в качестве контроля, ставится постоянная времени.

Для регулировки верхней границы частотной полосы применяются фильтры верхних частот (в радиотехнике они называются фильтрами нижних частот соответственно по пропусканию частот, работающие за счет изменения постоянной времени анодной цепи (более подробно о них рассказано в соответствующих методических руководствах: В. В. Артемьева, Л. А. Варшавский, 1949- Л. С. Соколова, Л. И. Шванг, 1954- Ю. Г. Кратин, Н. П. Бехтерева и др., 1963). На панели энцефалографа обычно приводятся величины fB (различные фильтры), для которых при fПри подаче калибровочного сигнала в виде скачка напряжения постоянная времени анодной цепи та искажает форму пика. При увеличении постоянной времени пик калибровочного сигнала сглаживается, что соответствует сужению полосы за счет подавления верхних частот (см. рис. 12 правая половина).
Таким образом, по виду калибровочного сигнала можно примерно оценить и верхнюю частоту пропускания канала. С помощью фильтров с нижним значением 15, 20 и 25 Гц снимают наводку и мышечные потенциалы. Фильтры, пропускающие частоты до 60—80 Гц, используют для записи частых колебаний потенциала [бета-ритм ЭЭГ, электромиограммы (ЭМГ), электроцеребеллограммы (ЭЦГ) и др.]. Зависимость вида ЭЭГ от введения различных фильтров верхних частот видна на рис. 12, BII: введение фильтра на 20 Гц уменьшает амплитуду бета-ритма, сглаживает острые волны и значительно подавляет мышечные потенциалы, регистрируемые при сжимании зубов- наоборот, при введении фильтра на 80 Гц отмечаются увеличение амплитуды бета-ритма электроэнцефалограммы, заостренность колебаний и значительная амплитуда мышечных потенциалов, регистрируемых при сжимании зубов. На калибровочном сигнале, приведенном рядом, видно действие введения различных фильтров на сглаженность его пика (обведено пунктирным кружком). При фильтре 80 Гц пик резко заострен, а при фильтре 20 Гц наблюдается сильная сглаженность пика калибровочного сигнала.
Понятие фазы, устранение фазовых искажений канала, определение сдвига фаз. При прохождении сигнала через канал энцефалографа происходит его искажение не только по частоте, но и по фазе. Фаза характеризует состояние колебательного процесса в данный момент времени. Пусть дан сигнал, изменяющийся по синусоидальному закону:

где А0 — начальная амплитуда сигнала, U(t) — текущая. При устранении фазовых искажений полученный сдвиг фаз может быть отнесен за счет исследуемых процессов. Как он теперь может быть найден? Для этого измеряют расстояние по временной оси (временной сдвиг) между двумя соседними максимумами этих двух сигналов (I и II на рис. 13, Б). Пусть найдено значение М = 25 мсек (1,5 см/60 см/сек = = 25 мсек- 60 см/сек — скорость развертки записи). Это значение само по себе может служить показателем фазовых отношений, однако обычно фазу (сдвиг фаз) выражают в градусах. Для этого определяют период процесса, т. е. расстояние между максимумами двух волн. При этом предполагается, что оба процесса имеют одинаковую частоту или отличаются по периоду на величину много меньшую, чем временной сдвиг между двумя этими процессами.
А — установка перьев всех каналов энцефалографа на одном уровне: а — правильно, б — не правильно- Б — определение фазового сдвига (объяснение в тексте).
Рис. 13. Устранение фазовых искажений.

В нашем примере-108 мсек. Теперь сдвиг фаз (в градусах) находится из пропорции: если сдвиг на период Т составляет 360°, то сдвиг секунд будет составлять

отсюда, в нашем примере=83°- следовательно,
сдвиг между процессами I и II составляет по фазе 83°. Если запись обоих процессов ведется на одной скорости, в данном примере — 60 см/сек, то можно сдвиг фаз находить, подставляя величины периода и временного сдвига, измеренные в миллиметрах.
Если процесс не синусоидальный, например вызванный ответ, то за Т может быть взята длительность основных одноименных волн вызванных ответов. Сдвиг фаз считают положительным (условно), если первый процесс опережает второй и его нужно сдвинуть на At единиц назад по временной оси, если же первый процесс приходится сдвигать вперед до совмещения максимумов (сдвиг производится в ближайшую сторону), то сдвиг фаз считают отрицательным (в нашем примере он отрицателен): таким образом ф1= — 83°.

Определение сдвига фаз с учетом знака позволяет судить о пространственном распространении сигнала и является сущностью фазового анализа. Он применяется при исследовании вызванных ответов, возникающих в разных областях мозга, при анализе ритмов ЭЭГ в соседних точках мозга, эпилептоидных разрядов, регистрируемых под разными электродами, при совместном исследовании ЭЭГ, реографических волн и пульсограммы, при полиграфической записи, т. е. везде, где возникает вопрос о пространственных и временных соотношениях различных сигналов.