Компьютерный электроэнцефалограф. Проблема бета диапазона

При этом наблюдается значительное расхождение с данными, полученными с помощью аналоговой техники, особенно в случае использования механических регистраторов (чернильных самописцев). Даже сами кривые электроэнцефалограмм выглядят существенно по разному, т.е. на смену относительно «гладким» и красивым ЭЭГ пришли заостренные, «лохматые» и субъективно грязные записи.

 

Исследователи и особенно разработчики компьютерных электроэнцефалографов объясняют этот факт безынерционностью цифровых регистраторов, широкой полосой пропускания аппаратуры и другими техническими инновациями. Однако обращает внимание тот факт, что практически все исследования выполняются уже вне экранированной камеры, т.к. считается, что компьютерные электроэнцефалографы настолько превосходят аналоговые, что нечувствительны к внешним шумам, имеют эффективную систему подавления сетевой помехи и по определению обеспечивают корректную регистрацию электрических потенциалов мозга человека.

Тем не менее, концепция веры недопустима в научных исследованиях и тот факт, что во многих исследованиях бета ритм здорового человека существенно «вырос» (или изменилась биологическая природа данного вида) требует экспериментальной проверки и серьезного анализа.

 

Для построения гипотезы рассмотрим упрощенные блок-схемы двух групп приборов – аналоговых и цифровых. Для аналоговых регистраторов типичным является решение, где за входными усилителями стоят блоки аналоговых фильтров, а оконечные усилители подключены непосредственно к чернилопишущим регистраторам, имеющим очень явно ограниченную полосу пропускания. Такие приборы имеют линейную амплитудно-частотную характеристику на частотах, соответствующим диапазонам основных ритмов мозга, а крутой спад АЧХ начинается на более высоких частотах. Вся система не имеет побочных частотных каналов приема сигнала, но вследствие малой эффективности режекторных фильтров, настроенных на частоту питающей сети, требует экранированной камеры (клетки Фарадея) для пациента.

 

В отличие от аналоговых, компьютерные электроэнцефалографы обязательно имеют систему оцифровки данных, которая по определению имеет побочные каналы приема высокочастотных сигналов и переноса их энергии через половину частоты дискретизации в рабочий диапазон, т.е. на частоты электроэнцефалограммы. Такой перенос называется маскировкой частот или эффектом Найквиста. Величина переноса, т.е. просачивание энергии высокочастотных компонентов тем больше, чем менее эффективные аналоговые фильтры стоят перед АЦП, иначе говоря, - чем шире полоса пропускания предварительных усилителей. Следует учесть два дополнительных соображения: первое - в дешевых компьютерных приборах таких фильтров вообще не ставят (при этом гордятся широкой полосой пропускания прибора NB!), второе - цифровой режекторный фильтр способен эффективно подавить очень высокоамплитудную помеху с частотой питающей сети. В результате может (и возникает) следующая ситуация – сетевой помехи (фона) нет, электроэнцефалограмма регистрируется, но уровень бета активности очень велик, несмотря на спокойное бодрствование и релаксацию пациента. Проверка при короткозамкнутых электродах дает нормальные результаты (регистрируется изолиния) и создается впечатление, что аппаратура в порядке и действительно регистрирует высоковольтный бета ритм.

 

Предположим, однако, что повышение уровня бета активности является мнимым (т.е. следствием аппаратного дефекта) и обусловлено исключительно переносом высокочастотной энергии шумов в рабочий диапазон электроэнцефалографа. Для подтверждения этой гипотезы необходимы данные о спектре внешних шумов в помещении, где производилась запись. Легко предсказать, что спектр шумов должен иметь минимум в полосе рабочих частот электроэнцефалографа и несколько локальных максимумов на частоте питающей сети и ее гармониках. Разумеется, такие данные могут быть получены только с помощью специализированной и весьма дорогой аппаратуры. Тем не менее, эти спектры опубликованы организациями, занимающимися радиоэлектронной борьбой и обнаружением подслушивающих устройств. На рис.3 показан типичный спектр шума офисного помещения. Обратим внимание на минимум в полосе 0-25 Гц, пики на частотах гармоник электрической сети и подъем в высокочастотной (там, где электроэнцефалограммы уже нет) области.

 

Кроме того, уровень шума достаточно велик, он лишь на 20 децибел меньше пика на частоте 50 Гц. А это значит, что шумовая помеха (вследствие своей широкой полосы) сравнима по уровню с сетевой. Но сетевая помеха будет «вырезана» эффективным цифровым фильтром, а шумовая, естественно, нет. В результате – если цифровой электроэнцефалограф имеет побочный канал приема в высокочастотной области (а он его имеет), высокочастотный шум неминуемо будет перенесен в электроэнцефалограмму. Этот шум равномерно распределится по всему спектру ЭЭГ и вызовет подъем уровня всех ритмов. Но вследствие малой относительно других ритмов амплитуды бета диапазона, максимальный подъем будет именно на этих частотах, ЭЭГ будет якобы свидетельствовать о реакции активации пациента и т.п. Цифровые данные об отношении энергии в различных частотных диапазонах электроэнцефалограммы будут искажены. В спектрах ЭЭГ будет наблюдаться пьедестал, на котором регистрируются локальные максимумы.

 

Для окончательного подтверждения этой гипотезы необходимо доказать, что перенесенный шум не только трансформируется в хаотические колебания, но и сформирует элементы ритма, т.е. в нем появятся псевдогармонические составляющие, которые и обманывают электрофизиолога. Для доказательства синтезируем сигнал электроэнцефалограммы и голубой гауссовский шум, спектр которого соответствует спектру внешних помех в офисе. Суммируем два сигнала и пропустим смесь через цифровой фильтр, идентичный фильтру компьютерного электроэнцефалографа. В результате сформируются и шумовые и псевдогармонические компоненты, т.е. мы наяву увидим МНИМЫЙ бета ритм

Причиной «возникновения» ритмических составляющих является именно фильтр (ограничивающий полосу пропускания сверху), который имеется в цифровом электроэнцефалографе. На спектре, естественно, видно, что эти компоненты не являются гармоническими, а лишь похожи на них.

 

Вывод: к материалам исследовательских работ, выполненных на цифровых электроэнцефалографах (при условии регистрации сигнала вне экранированной камеры), следует относиться с большой осторожностью. Рекламным заявлениям о безупречной регистрации ЭЭГ в любых условиях верить вообще нельзя. Лучше проверять, т.к. далеко не все цифровые электроэнцефалографы спроектированы правильно. И если уровень бета активности меняется при записи в экранированной камере и вне ее – необходимо применять алгоритм Герасима, т.е. отправить прибор вслед за Муму.