Принцип подавления внешних шумов при проектировании аппаратуры для ЭЭГ исследований

Регистрация электроэнцефалограммы в рутинном варианте исследования не представляет собой технически сложной задачи. Однако получаемые результаты далеко не всегда имеют высокую диагностическую ценность. Это связано не только с физиологическими ограничениями метода, но и зачастую с качеством регистрации, которое не только не повышается, но и в ряде случаев вызывает ассоциации в области ненормативной лексики.

 

Причинами являются не только деградация электроэнцефалографической аппаратуры на Украине (sic!), но и отсутствие обучения персонала при часто встречающемся полном дилетантизме врача.

 

Действительно, если лет двадцать назад использовались приборы уважаемых фирм – NIHON_KOHDEN, ORION, и т.п., которые комплектовались фирменными электродами и расходными материалами, то теперь используются компьютерные «самопалы» украинских фирм, прошедшие сертификацию «по-украински». Шедевром убожества, если можно так выразиться, является комплектация их самодельными железными электродами, обмотанными тряпочками, которые надо смачивать физиологическим раствором. Понятно, что демпингуя на тендерах, эти фирмы соревнуются в снижении себестоимости и, как следствие, в снижении качества регистрации ЭЭГ. Естественно - делая все более «навороченные» программы, они пытаются «забить баки» доктору. При этом подаются то несуществующие методы анализа, то методы удаления артефактов, рожденных, прямо скажем, го..нным электроэнцефалографом. Втереть очки доктору им чаще всего удается, т.к. полноценных курсов по этой специальности не существует уже лет 20. В итоге особенно потрясающие результаты достигаются в коммерческих поликлиниках, где основным требованием к аппаратуре является наличие в ней системы автоматической диагностики.

 

Но, несмотря на наш национально изолированный дешевый на тендерах отечественный колхоз, технический прогресс в мире продолжается, и качество электроэнцефалографов ведущих мировых лидеров растет. При этом не только доктора, но и некоторые местные разработчики медицинской диагностической аппаратуры убеждены, что таких чистых записей быть не может, и буржуи придумали какой-то фокус, с помощью которого и рисуют такие красивые электроэнцефалограммы, электрокардиограммы и т.д. Вообще, призрак второсортности и провинциальности неявно, но грозно присутствует при любых обсуждениях проблем регистрации электрофизиологических сигналов в нашем отечественно развивающемся сознании. Лучшим доказательством этому тезису будет тот факт, что никто и не думает использовать доморощенные украинские ЭЭГ коробки для диагностики смерти мозга (это не пользователям и пациентам чернуху раскидывать, здесь прокурор недалеко). Или для работы при подключенном аппарате ИВЛ1 (понятно, что прибор ничего кроме помех не выдаст), да и для любой серьезной экспертизы вообще. Но вне зависимости от местного (местечкового!) положения дел, стремиться к улучшению качества регистрации нужно, несмотря даже на то, что не конкуренция и не доктора и не пациенты этого требуют. Чем хуже пользователи, тем лучше должны быть приборы. И если раньше электроэнцефалографией занималась элита, то теперь кроме спящей на ходу Дуни Голопупкиной в качестве медсестры и прописывателя биологических пищевых добавок в качестве доктора никого не будет. Счастливые исключения есть (их совсем немало), но это все-таки исключения.

 

Теоретически – задача регистрации ЭЭГ представляет собой многоканальную синхронную запись микровольтовых инфранизкочастотных2 сигналов с типичным внутренним сопротивлением источника сигнала единицы – сотни килоОм. При этом следует учитывать априорное наличие аддитивных3 систематических помех с частотой питающей сети при соотношении «сигнал/шум» хуже единицы, аддитивного белого гауссовского4 шума (АБГШ) электродов, постоянную составляющую в виде электрохимического поляризационного потенциала, тренды вследствие изменения осмотического5 давления электродной жидкости и мультипликативную6 помеху вследствие изменения электродного сопротивления. Систематические и импульсные радиочастотные помехи следует, видимо, выделить в отдельную группу, как и физиологические артефакты.

 

Исторически эта задача довольно успешно решалась с помощью дифференциальных усилителей7 с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС8) и высоким входным сопротивлением. Иного решения до последнего времени не было предложено. И даже сейчас, несмотря на весь впечатляющий прогресс электроники, большинство приборов проектируются так же. При этом косметика в виде расширения динамического диапазона9 или децимации10 после высокочастотной оцифровки подается как революционный прорыв к сияющим вершинам. Особенно хороши (особенно для психиатра) заявления о получении КОСС более 140 децибел (160дБ11 – видел лично в одном рекламном проспекте отечественного производителя). Поразительно, но ни в Германии, ни в Штатах, ни в Японии, такой аппаратуры нет, заявленные технические характеристики их приборов катастрофически уступают украинским и непонятно что делают коварные японские специалисты в области промышленного шпионажа.

 

Впрочем, для понимания процесса развития аппаратуры ЭЭГ исследований, имеет смысл вспомнить ее историю с незабываемыми ламповыми «Альварами», ностальгия по которым не оставляет уходящую в прошлое старую гвардию.

 

Итак, примем в качестве аксиомы требование о высоком импедансе и коэффициенте ослабления синфазных сигналов входного усилителя. Парадоксально, но наилучшим образом этому требованию удовлетворяли ламповые схемы, особенно в нувисторном12 низкошумном варианте. Причина проста (хотя и игнорируется современными разработчиками) – эти каскады сохраняли высокий КОСС до частот, много превышающих рабочие, и имели очень незначительную (почти недостижимую и до сих пор) входную емкость. И, как следствие, прибор успешно фильтровал все ВЧ составляющие внешних помех и физиологических артефактов. А неустранимым недостатком был параметрический тренд, т.е. эти узлы требовали подстройки и не представляли собой ЛИВ13 систему. Сейчас трудно представить себе электроэнцефалографиста, подстраивающего КОСС(!), он и о работе фильтров прибора имеет самое смутное представление (чем лучше автомобили, тем хуже шоферы…).

 

Развитие полупроводниковой техники предопределило появление электроэнцефалографов с полевыми транзисторами на входе и симметрируемым на заводе входным усилителем. Несмотря на разработку специализированных микросборок типа КПС 104 эти приборы по всем параметрам (за исключением размеров, массы и энергопотребления) уступали ламповым. Более высокие фликкер-шумы14, необходимость защиты входов от статических разрядов и невозможность настройки после ремонта и замены элементов сделали эти приборы неконкурентоспособными. Как следствие – начали появляться параметрические входные усилители (ПВУ15), где основное усиление по току обеспечивалось каскадом, собранном на варикапах16. Высокие характеристики в рабочем диапазоне частот сочетались у них с малой эффективностью подавления ВЧ помех и сложностью схемотехники. Но основной проблемой стала необходимость разноса рабочих частот усилителей каналов электроэнцефалографа. Именно поэтому такие приборы выпускались только в малоканальном варианте.

 

Первые попытки построения усилителей на интегральных17 ОУ показали, что с внутренними шумами и входным сопротивлением далеко не все в порядке. И, несмотря на специальные методы подавления фликкера (пассивизация18 кристалла нитридом кремния и т.п.), достичь требуемых характеристик удалось сравнительно недавно. Тем не менее, проблема ухода основных параметров по мере приближения частот к граничным осталась даже у ОУ фирм AD, Burr-Brown и др. Именно поэтому проектирование современного электроэнцефалографа несколько отличается по сложности от сборки игрушки из кубиков детского конструктора. Применение хороших комплектующих качества прибора отнюдь не гарантирует (NB!).

 

Модемные операционные усилители19 в интегральном исполнении оказались пригодными для использования в качестве входных каскадов электроэнцефалографа. Несмотря на весьма скромные заявленные производителем цифры основных параметров (140 УД 13), они обеспечили надежную и стабильную работу без ухода характеристик в течение времени эксплуатации. Выяснились, впрочем, и некоторые особенности. Нельзя, например, применять электроды с поролоновым наполнителем – «мостики»20 вследствие реакции прибора на периодические изменения активной и реактивной составляющих их полного сопротивления. Причина проста – модемный ОУ обеспечивает накачку ВЧ энергии «назад» через паразитную21 емкость ключей модулятора22. Этот факт, к сожалению, игнорируется некоторыми украинскими производителями, получившими прибор в «цельнотянутом» виде. Результаты применения поролоновых мостиков ужасны для пользователя, но прекрасны для продавца – дешево, сердито и ничего не понятно.

 

Попытка построения модемных усилителей на микросхемах низкой степени интеграции с целью повышения площади канала полевого транзистора и, как следствие, понижения внутренних шумов, показали по результатам наших экспериментов прекрасные результаты в единичных экземплярах и полную непригодность при массовом производстве. Были получены приведенные ко входу междупиковые шумы23 менее 0,35 мкВ при КОСС не менее 115 дБ и дифференциальном входном сопротивлении не менее 20 мОм. Но многоканальный электроэнцефалограф, построенный по этому принципу, требовал невероятно больших трудозатрат на настройку и регулировку.

Из аппаратной экзотики следует отметить коммутационные усилители24, которые по результатам исследования в нашей лаборатории остаются перспективными, хотя и проблематичными (внутренний шум растет пропорционально корню квадратному из количества каналов). Но нельзя исключить, что применением оптимальных схемотехнических решений эту проблему удастся решить, т.е. понизить его до приемлемых величин.

 

Из убыточных изделий Китежградского завода маготехники (недавно переименованного в одну из украинских фирм), можно отметить схемы с «летающей» емкостью25, которые имитируют высокий КОСС с помощью понижения дифференциального входного сопротивления каскада (вследствие постоянной дозарядки емкости компенсируется энергия коммутационной помехи). Именно для этих изделий и были заявлены интересующие психиатра характеристики. По отзывам пользователей – такие приборы никогда и не работали нормально.

 

В настоящее время развитие ЭЭГ-схемотехники остановилось на операционных усилителях. Практически все современные электроэнцефалографы используют прецизионные26 ОУ в качестве основного масштабного27 усилителя. И с учетом выбора их типов, можно с уверенностью утверждать, что на выходных клеммах ОУ присутствует усиленная ЭЭГ. В связи с этим возникает вопрос – почему большинство отечественных электроэнцефалографов работают плохо и как удается добиться таких проблем при рутинной регистрации?

 

Объяснение может быть единственным – прибор не проектировался для работы в условиях реальных помех. В связи с этим рассмотрим ситуацию с внешними помехами несколько подробнее.

 

Важнейшей и максимальной по уровню, несомненно, является помеха с частотой тока питающей сети – 50 Гц. Она обусловлена наводками от питающих проводов, в том числе рамок с током, в которых могут находиться прибор и пациент. Очень упрощенно можно считать величину помехи пропорциональной емкости системы пациент-прибор относительно питающих проводов. При этом следует учитывать, что при заземлении прибора с внутренним энергоснабжением помеха возрастает пропорционально увеличению емкости (емкость земля/сеть всегда больше емкости пациент/сеть). Речь, разумеется, идет только о синфазной составляющей. Ее противофазная (если быть точным – несинфазная) величина обусловлена асимметричностью системы отведений. Естественно – чем более симметрична система отведений, тем меньшая несинфазная составляющая помехи будет поступать на вход электроэнцефалографа. По данным, полученным в нашей лаборатории, для получения КОСС усилителя 80 дБ необходимо симметрирование системы отведений до величины не менее 40 дБ. В противном случае работа вне экранированной камеры станет проблематичной.

 

Впрочем, для бесконечного динамического диапазона входных усилителей и идеального режекторного фильтра28, этого требования, естественно не существует. Ничего идеального, разумеется, на свете нет, и электроэнцефалограф с бесконечным КОСС и асимметричной системой отведений работать не будет. Даже при очень малых внешних помехах. Вообще, следует учитывать, что асимметричные системы проектировались во времена древние (но разумные и профессиональные) только для условий работы в «клетке Фарадея»29. Попытку применить их для неэкранированных условий можно с полным правом отнести к области идиотизма разработчика. Вывод для покупателя: если Вам предлагают прибор с любыми аппаратными вычислителями систем отведений – знайте: некоторые из них не будут работать в неэкранированном помещении никогда, даже несмотря на выдающиеся технические характеристики усилителей.

 

Что же будет происходить с электроэнцефалографом при превышении помехой величины запаса, обусловленного динамическим диапазоном? Ответ очень прост – «грязная» электроэнцефалограмма будет периодически появляться и затем исчезать, при этом участки «молчания» будут несколько смещаться друг относительно друга в разных каналах (Рис.1).

 

Рис.1. Появление участков «молчания» на ЭЭГ

Собственно 50-герцовой помехи не видно, она стыдливо вырезана режектором. Но если его выключить – красота идей разработчика проявится в полной мере (Рис.2).

 

Не будем забывать также, что кроме помехи 50 Гц существуют и ее гармоники, особенно в случае применения люминесцентных светильников, тиристорных регуляторов мощности и других подобных устройств. Поэтому следует обеспечивать нечувствительность электроэнцефалографа и к другим систематическим помехам.

 

В наиболее общей форме можно сказать, что идеальный прибор вообще не должен регистрировать никакие физические артефакты.

 

При анализе группы артефактов имеет смысл не анализировать каждый из них во временной области, а рассмотреть спектр всех возможных помех и сопоставить его со спектром электроэнцефалограммы. Такая работа была выполнена в 70-х годах в Нью-Йоркском медицинском колледже и сразу стала чуть ли не классической. Было показано, что сигнал ЭЭГ в большинстве случаев «уходит под шум» на частотах ниже одного герца и выше 70 герц. И при визуальном анализе кривой сказать об электроэнцефалограмме ниже и выше указанных частотных границ ничего нельзя. В то же время если сигнал и помеха не разнесены во времени и спектры помехи и сигнала перекрываются, то их полное разделение невозможно. Это одно из самых общих и фундаментальных положений теории информации и попытка его обойти сродни желанию обмануть силу гравитации. Но такие упражнения, впрочем, не прекращаются и обусловлены не столько дилетантизмом, сколько изобретательством (вечного двигателя?).

 

С учетом двух фактов – требуемой полосы пропускания усилителя и требования минимизации помех в полосе, очевидно, что правильно спроектированный усилитель ограничивает полосу пропускания, чем ближе ко входным каскадам усиления, тем лучше, и стремится обеспечить пространственную фильтрацию на входе для помех, находящихся в полосе пропускания. Иначе их никаким способом из сигнала не вырежешь. Т.е. принцип ENR вполне логично следует из основной задачи проектирования.

 

Приходится признать, что большинство приборов с предельно открытой полосой пропускания, избыточной оцифровкой при динамическом диапазоне, определяемом коэффициентом усиления первых (до АЦП) каскадов – спроектировано неверно. При этом увеличение разрядности АЦП может использоваться только в качестве рекламного материала. Реальная стойкость прибора к помехам будет тем меньше, чем шире его полоса пропускания, а «забитие» динамического диапазона наступит тем раньше, чем более открыта полоса снизу. Но все же самым существенным будет вклад помех, прошедших через асимметричную систему отведений.

 

Кроме того, задача адекватной дискретизации входных сигналов не имеет пока строгого решения и представляет собой скорее технический компромисс, полностью подчиненный поставленным задачам. Даже если ориентироваться исключительно на сигма-дельта преобразователи33, приходится признать, что амплитудно-частотная характеристика тракта (Рис.4) далека от той, которая предназначена для борьбы с высокоамплитудными помехами в широком диапазоне частот (Рис.5).

 

 

 

Если действительно подчинять технические требования к квантователю особенностям аппаратной части, вынужденной работать в условиях априорно неизвестных помех, то необходимо в первую очередь обеспечить максимальное внеполосное затухание при линейной амплитудно-частотной характеристике в полосе и реализацию необходимых полосно-заграждающих фильтров, совмещенных с процедурой дискретизации и не использующих бесконечно-импульсных характеристик. Обратим внимание, что в этом случае существенно снижаются требования к динамическому диапазону (он становится реалистичным) и появляется возможность поднять усиление первых каскадов, что, как следствие понижает их внутренние шумы (NB!). При этом не нужно стремиться к наращиванию разрядов АЦП, она может подчиняться требованиям заданной ошибки дискретизации в рамках всего проекта (а не конкурентной рекламы).

 

Если оценивать необходимый достаточно малый уровень шума с учетом собственных шумов электродов и просачивания внешних помех, то его величина диктуется требованиями уверенной диагностики смерти мозга, т.е. 1 –1.5 мкВ от пика до пика, измеренным по трем сигма в полосе 1–30 Гц. Но нельзя забывать, что в абсолютном большинстве случаев такая диагностика проводится при включенном аппарате искусственного дыхания (странно, если это было бы не так) и собственный шум прибора становится не самым значительным компонентом помехи. Поэтому диагностику смерти мозга желательно вести телеметрическим или подключенным к портативному компьютеру прибором. В противном случае требования к помехозащищенности аппаратуры возрастают значительно.

 

При адекватном проектировании удается добиться шумов менее 1 мкВ для хлорсеребряных гелевых электродов (Рис.6).

 

Упражнения в снижении шумов, в общем, бессмысленны, т.к. ни один электрофизиолог, находясь в здравом уме, не будет анализировать ЭЭГ феномены размахом менее 1 мкВ. Этот амплитудный диапазон относится, по выражению Уолтера, к «области унылого всеобщего шипения».

 

Следует учитывать также, что даже очень хороший прибор легко загнать в область всеобщего шипения с помощью не очень хороших электродов. Проблема эта тоже имеет национально-экономический подтекст т.к. качественные хлорсеребряные керамические электроды не только существуют, но и продаются (недешево). Реальный шум, который они генерируют при фирменном геле, правильном наложении на кожу и входном (активном) сопротивлении электроэнцефалографа более 100 мОм примерно равен одному микровольту от пика до пика. Это предел, ниже которого можно (но не нужно) опуститься только с помощью применения игольчатых электродов. Все остальные электродные суррогаты имеют не только повышенный уровень шума, не только генерируют тренды и артефакты (вследствие несогласованного осмотического давления и электрохимических эффектов) но и могут искажать картину пространственного распределения ЭЭГ на скальпе. Причина тоже очевидна, хотя и игнорируется. При недостаточном полном входном сопротивлении прибора или использовании входной резистивной матрицы (для референтного электрода) – уровень сигнала в любом канале будет падать пропорционально повышению отношения сопротивлений электрод-кожа/входное сопротивление первого каскада. В результате данные картирования могут быть искажены, а фазовые соотношения ЭЭГ феноменов – сместиться. Можно, разумеется, героически бороться с электродными артефактами и программными (ICA36) средствами, но разумным такой подход назвать сложно. Т.е. вывод прост и ясен – для хорошего электроэнцефалографа нужны хорошие электроды. А если прибор не очень хорош или электроды – самопал, то лучше заниматься диагностикой по Фоллю37, черной или белой магией, экстрасенсорикой или на худой конец - компьютерной диагностикой всего организма38. Но не электроэнцефалографией.

 

Впрочем, кроме электродов физических, есть еще и проблема электрода референтного. Количество сломанных на ней копий огромно. Решения нет до сих пор, а у большинства специалистов нет и ясного понимания вопроса.

 

В упрощенном варианте можно сказать, что все существующие системы отведений, аппаратные коммутаторы, переключатели электродов появились на свет именно потому, что входы электроэнцефалографа дифференциальны и мы записываем только разностный сигнал. С активным электродом все понятно – он находится над исследуемой областью мозга. А вот где должен находиться неактивный – вопрос. На ранних стадиях изучения ЭЭГ пациента сажали в ванну и в нее же опускали неактивные электроды. Никаких особых преимуществ перед системой с усредненным общим (суммой сигналов от всех активных электродов) не обнаружили. Но различные системы отведений используются до сих пор, хотя биполярные и утратили во многом свое значение после разработки Эдрианом и Мэтьюзом принципа картирования. Тем не менее, до сих пор заявляется, что возможность аппаратной регистрации в любых системах отведений есть достоинство прибора, несмотря на то, что все они могут быть вычислены из системы с усредненным общим. Причина здесь, видимо, психологическая, тем более что точность вычисления с помощью ОУ в аппаратном решении не может быть выше точности вычислений с плавающей точкой, которая используется программными модулями. А понижение помехозащищенности аппаратуры, обусловленное асимметричной системой отведений, сводит на нет даже мифические достоинства такой регистрации. Реальных - у нее нет.

 

В итоге – наиболее распространенной стала униполярная система с усредненным общим. Естественно, что представленные ею данные искажены (как и при любых других) и для их интерпретации необходимо использовать дополнительные приемы от триангуляции Уолтера до вычисления разности между активным электродом и окружающими его. Кроме того, входная резистивная матрица имеет небесконечные входные сопротивления и некоторый (обусловленный технологическим разбросом) коэффициент асимметрии. Решение здесь существует, но относится к области интересов нашей фирмы и разглашено быть не может.

 

В случае проекта с изначально заданной симметричной системой отведений переход к биполярным и комбинированным системам легко и просто обеспечивается программными средствами (Рис.7).

 

И если выполнять требования этого принципа во всем проекте, то аппаратная часть электроэнцефалографа не должна регистрировать сетевую помеху никогда при любом положении фильтров, позволять работать в любом неэкранированном помещении, в том числе и при подключенном аппарате ИВЛ, иметь собственные шумы менее одного микровольта и обеспечивать высокую верность отображения ЭЭГ. Комплектоваться прибор должен хорошими электродами и иметь телеметрический канал связи либо подключаться к переносному компьютеру с батарейным питанием. Время готовности к работе должно быть малым, а непрерывная запись должна быть обеспечена на срок не менее суток. Все остальное не так существенно.

 

В то же время эти требования не являются завышенными и легко могут быть перекрыты в области помехозащищенности. С учетом того, что количество радиопередающих устройств растет, увеличивается количество работающей в клинике аппаратуры, никакая стойкость современного электроэнцефалографа к помехам не будет излишней. При правильном проектировании идеальная ЭЭГ регистрируется даже в том случае, когда пациент разговаривает по мобильному телефону, сидя на работающем сварочном трансформаторе рядом с включенной КВ радиостанцией (можем сделать фотографию).

 

И. конечно, при оценке оборудования для регистрации ЭЭГ следует учитывать совокупность параметров, а не изолированные технические характеристики (КОСС, частоту дискретизации и т.п.). Как пример можно привести блестящий проект Калашникова, когда его автомат без единого рекордного параметра (за исключением надежности) не имеет себе равных в течение уже многих десятилетий. А ведь в электрофизиологии только помехозащищенность определяет надежность и достоверность ЭЭГ исследования, направленного на достижение диагностической цели, если такая еще существует среди врачей и отечественных производителей медицинского оборудования. В чем я сильно сомневаюсь.