04 Pracki.p65

PRACA POGLĄDOWA
ISSN 1641–6007
Sen 2004, Tom 4, Nr 2, 71–77
SEN
Elektroencefalografia cyfrowa
Digital electroencephalography
Tadeusz Pracki, Daria Pracka
Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy
t Abstract
Digital electroencephalography
A short history of the electroencephalographic recordings is presented in the introductory
part of the paper. The galvanometers, analog and digital electroencephalographs are described shortly. Next, the construction, operating mode and basic properties of digital electroencephalographs are discussed. Also, the major differences between digital and analog
systems are considered. The limitations of traditional methods of EEG recording are analyzed with emphasis on problems related to paper-based data storage. Special attention is
paid to input amplifiers — the most important element for both analog and digital systems.
The problems associated with analog-digital conversion are considered including the basic
conditions for error-free conversion. Finally, the current condition of electroencephalography is analyzed and future directions considered.
Adres do korespondencji:
Tadeusz Pracki
Katedra i Zakład Fizjologii Akademii
Medycznej im. L. Rydygiera
w Bydgoszczy
ul. Karłowicza 24
85–092 Bydgoszcz
tel.: (0 52) 585 37 20
tel. kom. 0606 515 302
faks: (0 52) 585 37 23
http://www.tadeuszpracki.webpark.pl
e-mail: sen.poradnia@amb.
bydgoszcz.pl
Key words: electroencephalography, digital electroencephalography, EEG
t Wstęp
W 1875 roku Richard Caton, używając galwanometru zwierciadłowego, odkrył czynność bioelektryczną
mózgu i dokonał jej pierwszej rejestracji z powierzchni
kory mózgowej zwierząt — królików i kotów. Istotny
wpływ na rozwój elektrofizjologii mieli polscy naukowcy Adolf Beck i Napoleon Nikodem Cybulski, pracujący
na przełomie XIX i XX wieku. Jednak za początek elektroencefalografii przyjęto odkrycie dokonane w latach
1925–1929 przez niemieckiego psychiatrę Hansa Bergera. Za pomocą galwanometru strunowego jako pierwszy
zarejestrował on czynność bioelektryczną mózgu z powierzchni głowy człowieka [1]. W 1932 roku Jan Toennis, współpracujący z Hansem Bergerem, skonstruował
1-kanałowy aparat do rejestracji sygnałów bioelektrycznych odbieranych z powierzchni głowy — elektroencefalograf (EEG) [1]. Wielkie zasługi dla rozwoju badań nad
czynnością EEG położył Albert Grass. W 1935 roku założył on Grass Instrument Company, rozpoczynając budowę słynnych do dziś elektroencefalografów [1]. Pierwsze
aparaty EEG budowane z wykorzystaniem lamp elektro-
nowych miały duże wymiary, były ciężkie i zawodne;
pobierały sporo energii, a ponadto bardzo się nagrzewały.
Dzięki wynalezieniu w 1948 roku tranzystora nastąpił znaczący postęp w budowie elektroencefalografów.
Wzrosła ich niezawodność, zmalały wymiary i znacznie
obniżyło się zużycie energii. Poprawiła się także jakość
rejestracji. Postęp w technologii elektronowej doprowadził w latach 50. XX wieku do wynalezienia układów scalonych. Ich zastosowanie do konstrukcji elektroencefalografów wpłynęło na dalsze zmniejszenie ich rozmiarów
oraz poprawę niezawodności i jakości rejestracji.
Bardzo szybki rozwój elektroniki umożliwił w latach 60.
połączenie aparatów EEG z komputerami [2]. Dokonał
tego Albert Grass, dając początek elektroencefalografii
cyfrowej.
t Elektroencefalografia analogowa
Elektroencefalografy są to urządzenia elektroniczne
służące do rejestracji sygnałów bioelektrycznych odbieranych z powierzchni głowy człowieka. Muszą zapewniać rejestrację bardzo słabych napięć elektrycznych
Praca częściowo finansowana z BW 76/2003 Akademii Medycznej w Bydgoszczy
www.sen.viamedica.pl
71
SEN
2004, Tom 4, Nr 2
Rycina 1. Działanie różnicowego wzmacniacza pomiarowego (opis w tekście); U1, U2 — napięcia wejściowe odpowiednio na nieodwracającym i odwracającym wejściu wzmacniacza; Uo — napięcie wyjściowe; Au — wzmocnienie wzmacniacza
o wartościach setek, dziesiątek, a nawet pojedynczych
mikrowoltów. Do poprawnej rejestracji jest wymagane
ustawienie takich samych parametrów wzmacniaczy dla
wszystkich rejestrowanych kanałów — zarówno wartości wzmocnień, jak i nastaw filtrów. Ponadto, elektroencefalografy muszą umożliwiać niezależny wybór odprowadzeń dla każdego z rejestrowanych kanałów.
Najważniejszym układem elektroencefalografu jest
wejściowy wzmacniacz różnicowy, od którego głównie
zależy jakość rejestracji [3]. Wzmacniacz ten (ryc. 1) przekształca różnicę napięć występującą między dwoma elektrodami (U1–U2) w pojedyncze, wzmocnione napięcie
wyjściowe (Uo). W praktyce na wyjściu tego wzmacniacza pojawiają się także zakłócenia występujące jednocześnie z sygnałem mierzonym. Są to głównie zakłócające
napięcia sieci energetycznej o częstotliwości 50 Hz. Ciało
człowieka jest dla tych napięć anteną elektryczną, poprzez pojemności występujące między nim a siecią elektryczną i ziemią o wartościach od kilkudziesięciu do kilkuset pikofaradów [4]. Zakłócenia te nierzadko przekraczają 1000-krotnie wartość mierzonego sygnału. To właśnie w celu ich eliminacji stosuje się na wejściu wzmacniacze różnicowe.
Na rycinie 1 przedstawiono istotę działania wzmacniacza różnicowego. Powinien on wzmacniać jedynie
różnicę napięć występujących między jego wejściami,
czyli elektrodami pomiarowymi. Przykładowe napięcia
pomiarowe U1 i U2, przedstawione na rycinie, występują w fazie i w przeciwfazie względem siebie. Na nie są
nałożone takie same napięcia zakłócające (ryc. 1). Jeśli
napięcia wejściowe są w fazie, wówczas na wyjściu
wzmacniacza uzyskuje się napięcie równe 0, zaś jeśli są
w przeciwfazie — napięcie wyjściowe Uo = Au × (U1 – U2)
— jest to wzmocnione (Au jest wzmocnieniem wzmacniacza) wejściowe napięcie różnicowe [5]. Widać więc,
że wejściowe napięcia zakłócające zostały całkowicie stłumione. Jednak ze względu na asymetrię samego wzmacniacza oraz drobne różnice wartości napięć występują-
72
cych na poszczególnych elektrodach, spowodowane
głównie różnicą rezystancji ich styku ze skórą, na jego
wyjściu występuje niewielkie napięcie zakłócające, głównie o częstotliwości 50 Hz. Do pomiaru rezystancji między elektrodami a skórą stosuje się omomierze napięcia
zmiennego, aby nie powodować polaryzacji komórek [6].
W celu dalszego tłumienia napięć zakłócających stosuje
się układy ujemnych sprzężeń zwrotnych (np. driven-right-leg) oraz filtry pasmowo-zaporowe (notch filters)
[1, 4, 6, 7]. Starsze aparaty EEG do poprawnej pracy wymagały dobrego uziemienia i ekranowania pomieszczeń
(klatka Faraday’a). Nowoczesne elektroencefalografy pozwalają na pomiar nawet w obecności silnych napięć
zakłócających.
Ze względu na odporność na przesterowania i prawidłowe przenoszenie sygnałów, wzmocnienie wzmacniacza wejściowego jest 20–30-krotne [1, 4]. Konieczne jest
więc zastosowanie dalszych stopni wzmocnienia. Do
kształtowania charakterystyki wzmacniacza stosuje się
filtry górno- (tzw. stała czasu) i dolnoprzepustowe.
Wzmocniony i ukształtowany sygnał jest podawany
do układu rejestratora w celu zapisu na papierze za pomocą pisaków, najczęściej atramentowych. Linia zapisu
typowego pisaka z piórkiem atramentowym, piszącego
bezpośrednio na papierze, jest względnie gruba, przez
co zapis jest niedokładny. Stosuje się wprawdzie specjalne atramentowe pisaki dyszowe (ciśnieniowe), niemające kontaktu z papierem, o cienkiej linii zapisu, lecz
są one bardzo drogie i bardzo łatwo się zatykają, powodując konieczność ich wymiany. Amplituda zapisanych
sygnałów na ogół nie przekracza 20 mm, a zapis odbywa
się po łuku, co jest przyczyną znacznych błędów. Można
je zmniejszyć, używając specjalnego papieru z nadrukiem
„po łuku”. Papier taki jest jednak stosunkowo drogi,
a analiza zapisu tego typu — utrudniona i niedokładna.
Tradycyjny rejestrator zbudowany z tak zwanych galwanometrów, na osi których jest zamocowany pisak, ma
ograniczoną górną częstotliwość przenoszenia sygnałów
www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa
wynoszącą około 200 Hz. Stosując wysokiej klasy, bardzo drogie galwanometry oraz atramentowe, bezstykowe pisaki dyszowe, można uzyskać górną częstotliwość
przenoszenia sygnałów około 1000 Hz. Ponadto, rejestrator jako urządzenie elektromechaniczne jest najbardziej
zawodnym układem tradycyjnych elektroencefalografów.
Pobiera dużo energii, powodując nagrzewanie się elektroencefalografu i niestabilną pracę jego układów elektronicznych. Jest również przyczyną znacznych rozmiarów
i ciężaru aparatów EEG. Należy dodać, że istotnym problemem jest także archiwizacja wielkiej liczby danych
zapisanych na papierze.
t Elektroencefalografia cyfrowa
W elektroencefalografii cyfrowej wzmocniony, analogowy sygnał wejściowy z elektrod zostaje przetworzony na postać cyfrową, a następnie filtrowany i zapisywany w pamięci cyfrowej [2, 6]. Analizę można przeprowadzać zarówno wizualnie, na monitorze komputerowym,
jak i automatycznie — przy użyciu komputera, choć niewykluczony jest zapis na papierze za pomocą drukarki
komputerowej czy plotera.
Budowę 2 kanałów cyfrowego elektroencefalografu
przedstawiono na rycinie 2. Sygnał z elektrod, wzmocniony w poprzednio opisanym wzmacniaczu wejściowym (ryc. 1), poprzez tak zwany filtr antyaliasingowy
(wyjaśnienie w dalszej części pracy) jest podawany na
wejście multipleksera (MPX) [8, 9]. Multiplekser jest to
układ elektroniczny przesyłający sygnał z dowolnego,
kolejno wybranego przez układ sterowania, wejścia (ka-
SEN
nału) na wyjście. Upraszcza to znacznie budowę i obniża
koszty elektroencefalografu, gdyż układy występujące za
MPX są wspólne dla wszystkich kanałów. Pracę elektroencefalografu nadzoruje mikrokomputer (sterowanie).
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe
Wzmocniony sygnał jest przesyłany na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Jego zadaniem jest
przetwarzanie pobranych próbek wartości ciągłego, wejściowego napięcia analogowego na odpowiadające im
wartości cyfrowe, zero-jedynkowe. Odbywa się to najczęściej ze stałą częstotliwością próbkowania (sample
frequency), czyli w jednakowych odstępach czasu zwanych okresami próbkowania. Proces ten nazywa się próbkowaniem (pionowe linie przerywane na ryc. 5). Zgodnie z twierdzeniem Shannona-Kotielnikowa [9–12], zwanym też twierdzeniem o próbkowaniu, do poprawnego
odtworzenia przetwarzanego sygnału analogowego częstotliwość próbkowania musi być co najmniej 2-krotnie
większa od najwyższej częstotliwości występującej w tym
sygnale. Inaczej mówiąc, sygnał poddawany próbkowaniu nie może zawierać częstotliwości wyższych niż połowa wartości częstotliwości próbkowania, zwana częstotliwością Nyquista [8, 9].
Do poprawnej rejestracji mierzonych sygnałów,
a szczególnie jego składowych wysokoczęstotliwościowych, trzeba więc zastosować niepotrzebnie wysoką częstotliwość próbkowania, co jest zarówno kosztowne, jak
i trudne technicznie. Ogranicza się więc górne pasmo
częstotliwości sygnału przetwarzanego, co z kolei wy-
Rycina 2. Uproszczony schemat blokowy 2 kanałów cyfrowego elektroencefalografu (opis w tekście); MPX — multiplekser; A/C — przetwornik analogowo-cyfrowy
www.sen.viamedica.pl
73
SEN
2004, Tom 4, Nr 2
Rycina 3. Zjawisko aliasingu; Oś OX — czas; oś OY — amplituda;
linia cienka — sygnał próbkowany; linia gruba — aliasing; linie
pionowe przerywane — próbkowanie sygnału (opis w tekście)
maga zastosowania przed przetwornikiem A/C dolnoprzepustowych filtrów antyaliasingowych [8, 13]. Zabezpieczają one przed powstaniem zjawiska aliasingu (nakładania), czyli pojawianiem się w sygnale przetworzonym
przebiegów niskoczęstotliwościowych, niewystępujących w mierzonym sygnale. Spowodowane jest to niespełnieniem założeń twierdzenia o próbkowaniu.
Na rycinie 3 przedstawiono graficznie istotę aliasingu. Przykładowy sygnał analogowy przetworzono na
wartość cyfrową bez spełnienia warunków twierdzenia
o próbkowaniu. Częstotliwość sygnału próbkującego
(linie pionowe przerywane) jest zaledwie o około 12%
mniejsza od wartości minimalnej, wynikającej z powyższego twierdzenia. Po przetworzeniu sygnał ma 10-krotnie
zmniejszoną częstotliwość. Występują w nim więc częstotliwości, których nie było w sygnale przetwarzanym. Wyobraźmy sobie, że nieprawidłowo próbkowano
sygnał EEG w czuwaniu, zawierający fale alfa o częstotliwości około 10 Hz. Po przetworzeniu otrzymano fale
o częstotliwości 1 Hz, które mogą być rozpoznane jako
fale delta. Uzyskany, błędny wynik wskazywałby na patologiczny przebieg EEG w czuwaniu.
W praktyce do poprawy dokładności odwzorowania
przebiegu stosuje się częstotliwość próbkowania 1,5–2 razy
wyższą niż wynikałoby to z twierdzenia o próbkowaniu,
czyli tak zwane nadpróbkowanie (oversampling) [11, 12].
Na rycinie 4 przedstawiono przebieg EEG (odprowadzenie C3–A2) zarejestrowany w czuwaniu przy różnych
częstotliwościach próbkowania od 15 do 480 Hz. Widać
wyraźnie, że wraz z obniżeniem częstotliwości próbkowania zostają utracone kolejne wysokoczęstotliwościowe składowe sygnału. Prawidłowe, niezniekształcone odtworzenie sygnału EEG następuje przy częstotliwości
Oś OY
Oś OX
Rycina 4. Przebieg EEG (C3–A2) zarejestrowany przy różnych częstotliwościach próbkowania: 480, 240, 120, 60, 30, 15 Hz; Oś OX — czas;
oś OY — amplituda; linie pionowe przerywane — co 1 s
74
www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa
Rycina 5. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe; Oś OX — czas; oś
OY — amplituda; linia cienka — próbkowany sygnał analogowy;
linia gruba — odtworzony sygnał po przetworzeniu na postać cyfrową; linie pionowe przerywane — próbkowanie sygnału; linie
poziome przerywane — kwantowanie sygnału (opis w tekście)
próbkowania 480 Hz. Przebieg próbkowany z częstotliwością 240 Hz jest minimalnie pozbawiony wyższych
częstotliwości i wydaje się akceptowalny. Pozostałe przebiegi są zbyt zniekształcone, by mogły służyć do poprawnej analizy EEG. W praktyce do wiernego odtworzenia
sygnału EEG przyjmuje się częstotliwość próbkowania
powyżej 200 Hz [11].
Sygnał po próbkowaniu jest kwantowany w przetworniku A/C. Proces ten polega na przyporządkowaniu każdej kolejnej cyfrowej próbce sygnału pewnej wartości
(poziome linie przerywane na ryc. 5). Dokładność tego
procesu zależy przede wszystkim od rozdzielczości przetwornika A/C. Przetworniki stosowane w elektroencefalografii mają rozdzielczość 8–12, a czasem i więcej bitów
[6, 9]. Rozdzielczość 8 bitów oznacza, że, mierząc sygnał
w typowym zakresie ± 100 mV (zakres bezwzględny 200 mV),
dzieli się go na 256 (28) próbek, czyli mierzy z dokładnością około 0,8 mV. Ponieważ w sygnale EEG rejestrowanym u badanego pacjenta mogą wystąpić patologiczne,
wysokoamplitudowe czynności napadowe, fale wolne lub
artefakty, w celu ich rozróżnienia musi być możliwa ich
rejestracja bez przesterowań. Powoduje to konieczność
kilkukrotnego zwiększania zakresu przetwarzania przetwornika. Traci się wówczas na dokładności co najmniej
1–2 bity i taki pomiar wydaje się niedokładny. Z drugiej
strony, przy zbyt dużej dokładności przetwornika może
dojść do sytuacji, kiedy mierzy się szumy elektroencefalografu, gdyż typowa wartość szumów samego eegrafu
wynosi nieco poniżej 1 mV, a do tego dochodzą jeszcze
szumy elektrod i kabli. W praktyce wystarczająca rozdzielczość typowego przetwornika A/C wynosi 12 bitów.
SEN
Umożliwia ona uzyskanie 4096 (212) próbek na pełen zakres pomiarowy.
Na rycinie 5 przedstawiono przykładowy proces przetwarzania analogowo-cyfrowego, prostego, 4-bitowego
przetwornika A/C o zakresie ± 8 V (zakres bezwzględny
16 V) i rozdzielczości 1 V. Sygnał próbkowany oznaczono cienką linią. Sygnał po próbowaniu (pionowe linie
przerywane) jest poddawany kwantowaniu (poziome linie przerywane) i opisywany wartością napięcia na osi
OY. W trakcie kwantowania przyjmuje się taką wartość
napięcia sygnału, która dla momentu próbkowania odpowiada wartości bezwzględnej kwantu napięcia, większej od najbliższego progu kwantowania z odpowiednim
znakiem. Największej wartości ujemnej sygnału przypisano więc –8 V, natomiast maksymalna wartość dodatnia sygnału przekracza zakres przetwornika wynoszący
+8 V (ryc. 5). Jednak w momencie próbkowania (pionowa linia przerywana) wartość ta wynosi między +7 V
a +8 V. Próbka przyjmuje więc wartość +7 V. Przebieg
cyfrowy, uzyskany po połączeniu wszystkich wartości
przetworzonych próbek, oznaczono grubą linią (ryc. 5).
Aby poprawić jakość przebiegu, często stosuje się interpolację lub uśrednianie sąsiadujących próbek.
Po przetworzeniu sygnał cyfrowy jest filtrowany
i analizuje się go już za pomocą komputera. Do filtrowania górno- i dolnoprzepustowego stosuje się najczęściej
cyfrowe filtry programowe, zaś w celu przyspieszenia
analizy niekiedy używa się ich sprzętowych odpowiedników. Ponieważ filtr antyaliasingowy musi być umieszczony przed przetwornikiem A/C, do jego budowy wykorzystuje się układy elektroniczne.
Wielka liczba gromadzonych w komputerze danych
nie wydaje się obecnie istotna. Jest ona wprost proporcjonalna do częstotliwości próbkowania sygnału, przy
stałej rozdzielczości przetwornika A/C. Przykładowo,
rutynowa, 30-minutowa rejestracja 16-kanałowego eegramu, z częstotliwością próbkowania 240 Hz, przy rozdzielczości 12 bitów, zajmuje aż 14 MB, a takich badań wykonuje się w pracowniach EEG nawet kilkanaście dziennie. Wydaje się jednak, że w dobie dysków o pojemnościach dziesiątek i setek gigabajtów oraz nagrywarek CDR
i DVD problem ten nie ma znaczenia.
Należy wspomnieć o różnicach w sposobie pomiaru
EEG w elektroencefalografach analogowych — tradycyjnych i cyfrowych. W aparatach tradycyjnych można dokonywać równoczesnego odbioru sygnału EEG z odprowadzeń 1- i 2-biegunowych. W czasie badania można
wykonywać remontaże, czyli zmieniać rejestrowane odprowadzenia. Za pomocą elektroencefalografu cyfrowego dokonuje się odbioru sygnału EEG z odprowadzeń
1-biegunowych i takie sygnały są zapisywane w pamięci
aparatu. Napięcia EEG z odprowadzeń 2-biegunowych
otrzymuje się jako wynik przeliczeń matematycznych,
dokonanych programowo przez komputer [1]. Ponadto,
w trakcie analizy można zmieniać wzmocnienia, a także
www.sen.viamedica.pl
75
SEN
2004, Tom 4, Nr 2
nastawy filtrów dla wybranych, interesujących fragmentów zapisu. Pozwala to na ich powiększanie i szczegółową analizę, co nie jest możliwe przy użyciu tradycyjnego elektroencefalografu.
t Elektroencefalografia dzisiaj
W rutynowych badaniach rejestruje się 16 (czasami
8 przełączanych) odprowadzeń EEG jednocześnie (system 10–20) [1]. Obecnie nierzadko wykorzystuje się
32, 64 czy nawet 128 odprowadzeń jednocześnie (systemy 10- i 5-procentowe), na przykład przy stosowaniu wysokorozdzielczego mapowania mózgu (mapping), tak
zwanego LORETA (low resolution brain electromagnetic
tomography) [3, 14]. Mogą wówczas występować problemy z zapisem i jednoczesną analizą w czasie rzeczywistym (on-line) tak wielkiej liczby danych. Aby znacznie
przyspieszyć obliczenia, stosuje się dodatkowy sprzęt
— specjalizowane procesory do obróbki sygnału cyfrowego Digital Signal Processor (DSP). Mogą one pełnić funkcję regulowanych filtrów cyfrowych lub modułu szybkiej
transformaty Fouriera (FFT, fast Fourier transform).
Należy zauważyć, że elektroencefalografista, analizując
zapis EEG, bierze pod uwagę zależności amplitudowo-czasowe w poszczególnych odprowadzeniach oraz między
odprowadzeniami. Aby analiza taka była dokładna, elektroencefalograf musi być wykalibrowany. Ponadto, musi posiadać takie same charakterystyki przenoszenia amplitudy
i częstotliwości we wszystkich kanałach EEG, czyli praktycznie identyczne wzmacniacze i filtry. W tradycyjnych
aparatach jest to bardzo trudne, o ile w ogóle możliwe, zaś
znacznie łatwiej to osiągnąć w aparatach cyfrowych.
Obecnie kilka firm elektronicznych produkuje specjalizowane układy do pomiaru sygnałów biomedycznych. Światowy potentat elektroniczny, Analog Devices,
oferuje na przykład układy scalone do budowy cyfrowych
elektroencefalografów, przykładowo AD 7716. Taki układ
zawiera 4 dokładne 22-bitowe przetworniki A/C, pracujące równolegle, oraz układ programowanych filtrów cyfrowych dla 4 kanałów EEG. Może on współpracować
z układami procesorów sygnałowych ADSP 2101 do zbierania, cyfrowej obróbki i analizy danych medycznych.
Łącząc ze sobą powyższe układy, można budować wielokanałowe, cyfrowe elektroencefalografy. Urządzenia
takie mogą być wręcz miniaturowe i pobierają bardzo
mało energii. Ponieważ są to układy cyfrowe, nie występują różnice faz oraz częstotliwości filtrów poszczególnych kanałów, spowodowane niedokładnością elementów, tak charakterystyczne w wypadku realizacji analogowej. Dzięki postępowi technologicznemu możliwe stało
się budowanie cyfrowych, wielokanałowych, przenośnych aparatów EEG — „holter” EEG — zapisujących
dane na przenośnych, miniaturowych dyskach magnetycznych lub na subminiaturowych kartach pamięci, powszechnie dziś stosowanych w cyfrowych aparatach fotograficznych. Zasilane z nowoczesnych, miniaturowych
76
akumulatorków pozwalają na wielogodzinne rejestracje
EEG, tak ważne na przykład w diagnozowaniu padaczki
czy narkolepsji. Dane zgromadzone w przenośnej pamięci
urządzenia są przesyłane do komputera, gdzie po zakończeniu badania są analizowane.
Dzięki wyeliminowaniu taśm magnetycznych stosowanych do zapisu danych EEG w tradycyjnych, analogowych „holterach” oraz ich mechanicznego napędu osiągnięto niespotykany dotychczas poziom ich miniaturyzacji i niezawodności.
Zapisane dane można wymieniać między placówkami. Niestety, większość z ośrodków stosuje, jak dotąd,
własne formaty zapisu EEG. Od ponad 10 lat trwają próby stworzenia ogólnie akceptowanego formatu wymiany
cyfrowych danych medycznych, umożliwiających tworzenie baz danych, w tym baz EEG. Kilka lat temu powstała Europejska Sieć Neurologiczna (ENN, European
Neurological Network), pozwalająca na gromadzenie
w Internecie danych EEG i ich wymianę w coraz powszechniej akceptowanym Europejskim Formacie Danych (EDF, European Data Format) [15, 16].
t Elektroencefalografia a polisomnografia
W badaniach nad snem człowieka wykorzystuje się
polisomnografy, będące z technicznego punktu widzenia specjalizowanymi elektroencefalografami [7]. W wielu
pracowniach do rejestracji snu stosuje się wysokiej klasy aparaty EEG, w tym aparaty cyfrowe.
Od lat do zapisu snu wykorzystuje się „holtery” analogowe, a w ostatnich latach również cyfrowe. Dzięki
ich zaletom możliwa stała się rejestracja polisomnograficzna w naturalnych dla badanego warunkach — w jego
domu — bez potrzeby adaptacji do nowych warunków
pracowni badawczej. „Holter” jest także niezastąpiony
w laboratoryjnych badaniach parasomnii, podczas których występują charakterystyczne, nagłe ruchy ciała,
szczególnie podczas somnambulizmu, koszmarów sennych czy ruchów kończyn. W czasie stosowania tradycyjnych aparatów EEG często w trakcie nagłych incydentów zostają urwane elektrody i zostaje przerwana
rejestracja w tym niezwykle istotnym dla diagnostyki
momencie.
t Elektroencefalografy przyszłości
Wydawać by się mogło, że w dziedzinie budowy nowoczesnych aparatów EEG osiągnięto już wszystko. Jedno jest pewne — przyszłość należy do elektroencefalografów cyfrowych. Może będą to subminiaturowe aparaty umieszczane za uchem badanego? A może urządzenia
wielkości zegarka, odbierające sygnały przesyłane drogą
radiową bez plątaniny kabli z aktywnych elektrod [4]
przymocowanych do głowy badanego? Taka miniaturyzacja byłaby szczególnie wskazana przy długoterminowych zapisach całodobowych lub polisomnografii.
Czas pokaże...
www.sen.viamedica.pl
Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa
SEN
t Streszczenie
Elektroencefalografia cyfrowa
We wstępie przedstawiono krótki zarys historii pomiarów napięcia bioelektrycznego mózgu, począwszy od galwanometrów,
poprzez tradycyjne, analogowe elektroencefalografy, aż po współczesne, cyfrowe aparaty EEG. Następnie omówiono sposób
działania, budowę oraz właściwości podstawowych układów elektroencefalografów cyfrowych oraz ich istotne różnice
w porównaniu z eegrafami tradycyjnymi. Omówiono wady tradycyjnych elektroencefalografów; szczególną uwagę zwrócono
na błędy występujące podczas rejestracji eegramu na papierze. Autorzy poświęcili wiele uwagi najważniejszemu układowi
elektroencefalografów zarówno tradycyjnych, jak i cyfrowych — wzmacniaczowi wejściowemu, od którego głównie zależy
jakość rejestracji EEG. Dokładnie opisano przetwarzanie analogowo-cyfrowe. Omówiono problemy występujące przy przetwarzaniu sygnału analogowego EEG na wartość cyfrową oraz warunki konieczne, by przetwarzanie odbywało się bez błędów i zakłóceń. Na tej podstawie dobrano podstawowe parametry przetworników analogowo-cyfrowych stosowanych w cyfrowej rejestracji EEG.
W zakończeniu zaprezentowano obecny stan elektroencefalografii cyfrowej, a także perspektywy jej rozwoju związane
z komputeryzacją i miniaturyzacją. Wydaje się pewne, że przyszłość elektroencefalografii należy do nowoczesnych, cyfrowych aparatów EEG.
Słowa kluczowe: electroencefalografia, elektroencefalografia cyfrowa, EEG
t Piśmiennictwo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Niedermeyer E., Lopes da Silva F. Electroencephalography. Basic principle, clinical applications, and related fields. Williams
& Wilkins, Baltimore 1993.
Hord D.J., Johnson L.C., Lubin A., Austin M.T. Resolution and
stability in the autospectra of EEG. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1965; 19: 305–308.
Park H.J., Kwon J.S., Youn T., Pae J.S. i wsp. Statistical parametric mapping of LORETA using high density EEG and individual MRI: application to mismatch negativities in schizophrenia.
Hum. Brain Mapp. 2002; 17 (3): 168–178.
Metting van Rijn A.C., Peper A., Grimbergen C.A. High quality
recording of bioelectric events. I. Interference reduction, theory
and practice. Med. Biol. Eng. Comput. 1990; 28: 389–397.
Pracki T., Pracka D. Wzmacniacz napięć bioelektrycznych. Sen
2002; 2, 1: 15–19.
Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000. Nałęcz M. red.
T. 2: Biopomiary. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa 2001.
Pracki T., Pracka D. Polisomnografia cyfrowa. Sen 2003; 3, 1:
13–18.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Baker B.C. Anti-aliasing, analog filters for data acquisitions systems, AN699. Microchip Technology Inc. 1989; 1–11.
Lyons G.R. Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów. WKŁ, Warszawa 2000.
Burr-Brown. The handbook of linear IC application. Burr-Brown
Corporation, USA 1987; 33.
Medical monitoring in the home and work environment. Miles L.E.,
Broughton R.J. red. Raven Press, New York 1989.
Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów.
PWN, Warszawa-Poznań 1985.
Burr-Brown. MFB low-pass filter design program. Application
bulletin. Burr-Brown Corporation, USA 1992; 33: 1–6.
Oostenveld R., Praamstra P. The five percent electrode system
for high-resolution EEG and ERP measurements. J. Clin. Neurophysiol. 2001; 112 (4): 713–719.
Kemp B., Värri A., Rosa A.C., Nielsen K.D. i wsp. A simple format for exchange of digitizet poligrafic recording. Electroenceph.
Clin. Neurophysiol. 1992; 82: 391–393.
Pracki T., Pracka D. Propozycja standardu zapisu cyfrowego polisomnogramu. W: Polskie Towarzystwo Informatyki Medycznej. Komputery w medycynie, Łódź 1994; T. 2: 262–266.
www.sen.viamedica.pl
77