Материал: Аппаратура для электроэнцефалографических исследований. Журавлев Д.В

электродами. Этот метод применяется в клинических исследованиях при необходимости определения локализации патологического очага в мозге, однако он не позволяет определять, какие колебания возникают под каждым из двух электродов по отдельности, а также определять, каковы их амплитудные характеристики [5, с. 29]. Поэтому в психофизиологии общепринятым считается метод монополярного отведения (рис. 1.2, а). При нем регистрируется разность потенциалов между разными точками на поверхности головы исследуемого по отношению к какой-то одной индифферентной точке, в качестве которой обычно используют такой участок на голове или лице, на котором какие-либо электрические процессы минимальны, и их можно принять за ноль. Зачастую это мочка уха или сосцевидный отросток черепа. В таком случае с электрода, наложенного на скальп пациента, регистрируются изменения потенциала с определённого участка мозга.

Рис. 1.2. Способы регистрации сигнала от головного мозга

Оба этих метода основаны на применении в схеме дифференциальных входов АЦП либо дифференциального усилителя сигнала. Дифференциальным, как правило, называют вход напряжения или вход заряда с тремя точками подключения (одно из устоявшихся обозначений: X, Y, AGND) (рис. 1.3). Устройство с таким входом позволяет выделять полезную разностную противофазную составляющую напряжений (UX – UY) на входах X и Y на фоне помеховой синфазной составляющей напряжения 0.5 * (UX + UY) относительно входа AGND. В случае входа заряда справедливы аналогичные соотношения для заряда. Вход AGND выполняет функцию общего провода. Другими словами, дифференциальный вход можно назвать двухфазным входом, где X, Y – прямая и инверсная фазы относительно AGND.

Усилители биопотенциалов имеют следующие основные характеристики:

диапазон напряжений входного сигнала (полезного разностного сигнала между X и Y);

диапазон синфазного напряжения сигнала (диапазон изменения среднего напряжения 0,5 * (UX + UY) относительно цепи AGND);

10

коэффициент подавления синфазного сигнала, измеряемый в децибелах, - это коэффициент подавления помеховой составляющей входного напряжения 0.5 * (UX + UY) по отношению к полезной разностной составляющей (UX – UY), измеряемый на определённой частоте сигнала;

входное сопротивление дифференциального входа. Для дифференциальной и синфазной составляющих напряжения входное сопротивление может быть разным.

Рис. 1.3. Дифференциальный вход

Из-за симметричной сути дифференциального входа его называют также симметричным входом, в отличие от несимметричного входа с общей землёй. Вход c общей землёй может быть получен из дифференциального путём соединения цепей Y и AGND. Инверсный вход с общей землёй может быть получен из дифференциального путём соединения цепей X и AGND.

Для лучшего использования полезного свойства дифференциального входа, заключающегося в подавлении синфазной составляющей (например, помехи вследствие антенного эффекта), провода цепей X и Y следует вести симметрично, например, витой парой для построения дифференциальной сигнальной цепи.

Дифференциальный вход АЦП будет измерять разницу напряжения между двумя контактами (плюс и минус на входе). Несимметричный («обычный») вход АЦП будет измерять разницу напряжений между одним входом и землей АЦП.

Дифференциальные пары позволяют увеличить в два раза входное напряжение, не вызывая дополнительного шума. То есть вместо того, чтобы иметь сигнал, привязанный к земле, два провода являются полными противоположностями. Например, когда одна линия находится на уровне + 1,3 В, то другая будет на уровне -1,3 В. Напряжение между любой из этих линий и землей составляет всего 1,3 В, но поскольку АЦП преобразует разность напряжений этих сигналов, то на его выходе будет 2,6 В. На рис. 1.4 изображены обобщенные схемы дифференциальных систем, применяемых как для монополярного, так и для биполярного методов регистрации ЭЭГ.

11

Рис. 1.4. Обобщенные схемы дифференциальных систем

Также, помимо дифференциальных АЦП, используют дифференциальный (рис. 1.5) или инструментальный (рис. 1.6) усилители. Дифференциальный усилитель это электронный усилитель с двумя входами, сигнал на выходе которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Он применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Рис. 1.5. Схема дифференциального усилителя на базе одного операционного усилителя

Инструментальный усилитель используется для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в системах, в которых от усилителя требуются высокие параметры, в том числе большое входное

12

сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает требуемого высокого входного сопротивления (порядка нескольких мегаом), поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на рис. 1.6. Дифференциальный усилитель, собранный по такой схеме, называется инструментальным. В данной схеме входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующие входы буферных операционных усилителей, которые не используются для создания обратной связи. Собственное входное сопротивление входных прецизионных операционных усилителей составляет значение порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для высокоточного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом.

Рис. 1.6. Схема инструментального усилителя

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня нуля), а разность напряжений между двумя точками.

Также следует использовать дифференциальные усилители в том случае, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и подобных биопотенциалов. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала.

Обычный дифференциальный усилитель имеет два серьезных недостатка, которые перечеркивают его достоинства во многих ситуациях.

13

Первый недостаток — низкое входное сопротивление, которое зависит от величины резистора (как и в инвертирующем усилителе). В случае, когда мы измеряем очень слабый сигнал, то усилитель даст существенную ошибку в измерительной системе.

Второй недостаток — сложность изменения коэффициента усиления. Чтобы это сделать, нужно одновременно изменять значение двух резисторов, что на практике очень сложно. Нужно иметь спаренный потенциометр или ввести систему аналоговых мультиплексоров, что значительно и неоправданно усложняет схему. Поэтому используют инструментальный усилитель.

В современной медицине и технике существуют различные схемы подключения электродов. Но наиболее распространенной и общепринятой во всем мире является схема «10-20». В ней референтные электроды стандартно располагаются на мочках ушей. Они обозначаются Ref (R), но могут быть установлены также и в другом месте, например, на сосцевидных отростках за ушами, как было описано ранее, по средней линии между Fz и Cz электродами (электроды, расположенные по средней линии, обозначаются индексом — «z», от «zero», т. е. нулевой). Электроды, расположенные в левом полушарии, в соответствии с этой схемой принято обозначать нечетными цифрами, а в правом полушарии — четными. Также по стандарту обязательно наличие электрода заземления, который может располагаться в любом месте на голове пациента, но чаще всего устанавливается между Fp1 и Fp2 электродами на лбу в точке Fpz.

Полная стандартная схема «10-20» в полном варианте предусматривает установку 21 электрода, включая как электрод заземления, так и референтный электрод. Места расположения отведений электрической активности мозга имеют буквенные обозначения и выбираются в соответствии с областями, над которыми располагаются электроды (рис. 1.7):

затылочное отведение — О (occipitalis);

теменное — P (parietalis);

центральное — C (centralis);

лобное — F (frontalis);

височное — T (temporalis).

Международная схема 10-20 была разработана Гербертом Генри Джаспером в 1958 г. и применена для стандартизации терминологии и описания локализации скальповых электродов для того, чтобы ЭЭГ записи могли быть универсальными и сравнимыми, вне зависимости от лаборатории и врача, проводившего и анализировавшего исследование. В настоящее время схема является международным медицинским стандартом установки электродов при проведении ЭЭГ исследований. Она используется при наклейке коллодиевых электродов, а также при использовании ЭЭГ шапочек, которые появились гораздо позднее.

14