Описание технических характеристик ЭЭГ-оборудования и их сравнение для доступных в России электроэнцефалографов

ВВЕДЕНИЕ / INTRODUCTION

На заре электроэнцефалографии (ЭЭГ) в середине ХХ века ЭЭГ-регистраторы занимали целые комнаты и могли работать только в экранированных помещениях. С прогрессом микроэлектроники современные электроэнцефалографы превратились в компактные компьютерные приборы, способные обеспечивать высококачественную регистрацию ЭЭГ-сигнала практически в любых условиях, включая палаты интенсивной терапии [1], где работает большое количество разнообразного оборудования, создающего помехи (рис. 1).

Тем не менее качество регистрации ЭЭГ-сигнала по-прежнему зависит от качества применяемых электродов и технических характеристик ЭЭГ-оборудования, которое используется для проведения обследования. Именно значению различных технических параметров современных усилителей ЭЭГ посвящена эта статья. Рассмотрены основные технические характеристики ЭЭГ-оборудования и их влияние на качество регистрируемого сигнала. В завершение представлена сравнительная таблица технических параметров ЭЭГ-оборудования, доступного в Российской Федерации. В сравнение попали как регистраторы ведущих отечественных производителей, так и импортные образцы. Такое сопоставление стало возможным после того, как с 2023 г. на сайте Росздравнадзора начали публиковать полный пакет документов на зарегистрированное медицинское оборудование, включая данные о его технических параметрах [2].

Современный компьютерный электроэнцефалограф состоит из двух основных электронных компонентов: усилителя аналогового сигнала и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) [3]. Именно от характеристик этих двух компонентов в конечном итоге и зависит качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала. Ниже рассмотрены параметры ЭЭГ-регистраторов и описано их влияние на качество регистрируемого сигнала.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЭГ-ОБОРУДОВАНИЯ /
TECHNICAL CHARACTERISTICS OF EEG EQUIPMENT

Частота квантования / Sampling rate

Современный электроэнцефалограф хранит зарегистрированные данные на жестком диске компьютера и отображает их на экране монитора. Поскольку компьютеры не могут хранить и обрабатывать аналоговые сигналы, ЭЭГ-сигнал необходимо перевести из аналоговой в цифровую форму (оцифровать). Эту задачу выполняет АЦП [3]. Цифровое представление сигнала имеет ряд преимуществ:

• цифровой сигнал не подвержен помехам, его можно передавать на любые расстояния без искажений;
• цифровой сигнал легко может быть представлен в компьютере на дисплее.

Но есть у него и свои недостатки и ограничения. Например, такой сигнал имеет ограниченное разрешение по времени и амплитуде (рис. 2).

Частота квантования как раз и определяет разрешающую способность АЦП по времени. Она обычно измеряется в Герцах (Гц) и показывает количество отсчетов цифрового сигнала в секунду. С точки зрения хранения и отображения ЭЭГ-сигнала от частоты квантования зависит плавность кривых по оси времени. На рисунке 3 представлены отличия сигнала, записанного с разной частотой квантования. Сигнал содержит одну и ту же синусоиду частотой 10 Гц, но при частоте квантования 100 Гц можно заметить неравномерность пиков синусоиды, обусловленную недостаточной разрешающей способностью АЦП по времени. На частоте квантования 200 Гц вершины синусоиды более сглажены, но все-таки неравномерность еще различима. При частоте 500 Гц синусоида 10 Гц выглядит уже гладко, и дальнейшее увеличение частоты квантования не приведет к улучшению качества сигнала, но существенно увеличит его объем при хранении в базе данных обследований на компьютере. Это «оборотная сторона медали» – при увеличении частоты квантования сигнала увеличивается и объем хранимой информации.

Важно отметить, что в соответствии с теоремой Котельникова для отображения любой частоты колебаний в цифровом виде необходима частота квантования, как минимум в 2 раза превышающая эту частоту колебаний [4][5]. Таким образом, если на ЭЭГ-кривых необходимо увидеть частоты колебаний сигналов до 75 Гц, то необходима частота квантования как минимум 150 Гц.

В рекомендациях Международной Противоэпилептической Лиги [6] прописана минимально допустимая частота квантования для регистрации ЭЭГ-сигнала в 200–256 Гц. Однако на практике для качественного отображения нужна частота квантования, в 4–8 раз превышающая максимальную частоту колебаний измеряемого сигнала. Именно поэтому для качественного отображения ЭЭГ-сигнала на современном экране компьютера рекомендуется использовать частоту квантования не менее 500 Гц.

Разрядность аналогово-цифрового преобразователя /
Analog-to-digital converter bit rate

Как уже было указано, качество цифрового представления сигнала зависит от двух параметров блока АЦП, а именно от разрешающей способности и частоты квантования. Частота квантования как разрешающая способность по времени была рассмотрена выше, теперь остановимся подробнее на разрешающей способности АЦП по амплитуде (рис. 4).

Разрешающая способность АЦП – это количество разрядов (ступенек) при измерении амплитуды сигнала. Например, если она составляет всего 8 бит, то амплитуда цифрового сигнала на его выходе будет принимать одно из 256 (2⁸) значений (ступенек). Если при этом, например, необходимо измерять аналоговый сигнал в диапазоне от –10 мВ до +10 мВ, то размер одной ступеньки будет равен 78 мкВ. Для оцифровки ЭЭГ-сигнала такой разрешающей способности явно недостаточно. Поэтому первые цифровые ЭЭГ-регистраторы имели очень узкий амплитудный диапазон и при малейшем его превышении уходили в «зашкал» (рис. 5).

При применении более современных 16-битных АЦП (65 536 ступенек) точность измерения амплитуды того же диапазона ±10 мВ уже составляет всего 0,3 мкВ, что намного лучше. Если же при таком АЦП будет необходимо оцифровывать сигнал в более широком амплитудном диапазоне, например от –100 до +100 мВ, то точность оцифровки составит 3 мкВ. Таким образом, при увеличении входного диапазона измеряемого сигнала уменьшается точность его цифрового представления. Именно поэтому в настоящее время применяются самые передовые 24-битные АЦП, которые позволяют обеспечить одновременно и широкий регистрируемый диапазон амплитуд, и высокую точность оцифровки сигнала.

Уровень внутренних шумов усилителя /
Amplifier internal noise

Для того чтобы подать низкоамплитудный ЭЭГ-сигнал на вход АЦП с целью оцифровки, его необходимо предварительно усилить. Кроме параметров АЦП на качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала оказывают прямое влияние и характеристики усилителя аналогового сигнала.

Один из важнейших параметров усилителя – уровень собственных шумов [7]. Обычно он возрастает прямо пропорционально коэффициенту усиления и регистрируемому диапазону амплитуд аналогового сигнала. Высококачественные усилители, как правило, имеют в своем составе несколько каскадов усиления, что повышает его качество, но ведет к удорожанию электронных комплектующих, необходимых для построения ЭЭГ-регистратора.

В настоящее время существует два варианта оценки собственного шума усилителя:

• от пика до пика;
• среднее квадратичное отклонение (англ. root mean square, RMS).

Для измерения уровня собственного шума усилителя в тестовой лаборатории обычно накоротко замыкаются все его входы и проводится измерение регистрируемого сигнала. В идеале на выходе должна регистрироваться чистая изолиния, но на практике такого не бывает, т.к. любой современный усилитель имеет собственный шум. Размах регистрируемого таким образом сигнала и называют собственным шумом усилителя, измеренным от пика до пика (рис. 6).

Среднее квадратичное отклонение – это наиболее распространенный показатель рассеивания значений случайной величины относительно ее математического ожидания (аналога среднего арифметического с бесконечным числом исходов). На практике обычно для белого шума значение RMS меньше значения амплитуды от пика до пика примерно в 6–7 раз.

Следует помнить, что наличие двух вариантов измерения внутреннего шума усилителя нередко приводит к путанице при сравнении двух ЭЭГ-регистраторов между собой.

Уровень собственных шумов усилителя имеет особое значение при регистрации низкоамплитудной ЭЭГ, например в палате интенсивной терапии [2] или при диагностике смерти мозга [8]. Но и при регистрации обычных рутинных ЭЭГ-обследований уровень собственных шумов является важной характеристикой усилителя, влияющей на качество регистрируемого сигнала.

Подавление синфазной помехи / Common mode rejection

Основной проблемой при регистрации ЭЭГ в неэкранированных помещениях является помеха от питающей электрической сети (50 или 60 Гц в зависимости от региона). Ее также называют синфазной наводкой. В современных ЭЭГ-регистраторах подавление синфазной наводки проводится с помощью каскада усиления с обратной связью. Для организации последней используется дополнительный электрод, накладываемый на любую точку тела обследуемого. Этот электрод обычно называют общим или заземляющим. Именно сигнал с заземляющего электрода используется для подавления синфазной помехи от питающей сети (рис. 7).

Коэффициент подавления синфазной помехи (англ. common-mode rejection ratio, CMRR) обычно рассчитывают в децибелах (дБ). Чем выше коэффициент подавления, тем меньше влияние электрической питающей сети на качество регистрируемого ЭЭГ-сигнала.

Иногда одного только аппаратного подавления синфазной помехи оказывается недостаточно, например при работе ЭЭГ-регистратора в непосредственной близости от источников переменного тока. В таких случаях на помощь приходят программные цифровые фильтры, реализованные в компьютерном программном обеспечении и работающие с сигналом ЭЭГ, который уже зарегистрирован, непосредственно перед выводом его на дисплей монитора [9]. В совокупности аппаратный и программный фильтры в большинстве случаев позволяют избавиться от проблем с сетевой наводкой при регистрации ЭЭГ.

Важно отметить, что программные цифровые фильтры работают тем качественнее, чем выше частота квантования записанного сигнала, но вычислительных ресурсов на их работу при этом расходуется больше.

Входной диапазон по амплитуде / Input amplitude range

Каждый усилитель и каждый АЦП имеет рабочий диапазон амплитуд, с которым он может функционировать. При превышении этого диапазона схемотехника уходит в режим насыщения, или «зашкал» (см. рис. 5).

Средняя амплитуда ЭЭГ-сигнала здорового человека обычно не превышает 100–200 мкВ от пика до пика. Амплитуда биоэлектрической активности головного мозга, зарегистрированная со скальпа во время эпилептического приступа, может составлять 500–1000 мкВ и более (рис. 8), а во время записи с инвазивных ЭЭГ-электродов или при разного рода артефактах записи амплитуда регистрируемого сигнала может достигать десятков и сотен милливольт.

Так какой же входной диапазон амплитуд должен быть у современного ЭЭГ-регистратора? Как минимум он должен работать в диапазоне ±12 мВ, чтобы обеспечивать отображение эпилептиформной активности и не уходить в «зашкал» при высокоамплитудных артефактах. Но есть еще такое явление, как поляризация регистрирующих электродов, которая дает постоянное смещение регистрируемого усилителем сигнала (ранее упоминалось, что качество регистрации ЭЭГ-сигнала зависит от используемых ЭЭГ-электродов). Поляризация электродов зависит от качества материала, из которых они изготовлены, и может достигать 300 мВ. Таким образом, современный ЭЭГ-регистратор должен обеспечивать запись сигнала в диапазоне ±12 мВ с компенсацией постоянной составляющей до 300 мВ. Такие показатели были достижимы при применении 16-битных АЦП. С появлением 24-битных АЦП современные ЭЭГ-регистраторы могут существенно расширять регистрируемый диапазон амплитуд при сохранении высокой точности оцифровки сигнала и имеют входной диапазон до нескольких сотен милливольт.

Входной диапазон по частоте / Input frequency range

Так же как ограничения по амплитуде, каждый регистратор ЭЭГ имеет свои ограничения по частотному диапазону регистрируемого сигнала, который складывается из нижней и верхней частот пропускания (рис. 9).

Фильтр нижних частот служит для подавления высокочастотных колебаний, таких как миографические артефакты, сетевая наводка. Фильтр верхних частот предназначен для подавления медленноволновых колебаний и компенсации постоянной составляющей сигнала, которая может возникать вследствие поляризации ЭЭГ-электродов. Полосовой фильтр может применяться для выделения из сигнала определенного частотного диапазона, например только альфа-ритма. Режекторный фильтр используется для подавления заданного частотного диапазона, например сетевой наводки 50 или 60 Гц.

Перечисленные фильтры обычно можно включить или выключить, а также задать частоту среза для каждого из них в программном обеспечении для регистрации и анализа ЭЭГ [9]. Но и аппаратно каждый ЭЭГ-регистратор имеет ограниченный частотный диапазон регистрируемого сигнала. Так, первые ЭЭГ-регистраторы могли записывать сигнал в полосе частот от 0,5 до 35 Гц. В соответствии с Рекомендациями экспертного совета по нейрофизиологии Российской Противоэпилептической Лиги по проведению рутинной ЭЭГ от 2016 г. [10] в настоящее время для записи ЭЭГ-сигнала используется частотный диапазон от 0,5 до 70 Гц. Практически каждый современный ЭЭГ-регистратор позволяет записывать такой сигнал. Но иногда необходимо просмотреть ЭЭГ-сигнал в более широком частотном диапазоне – например, оценить сверхмедленные колебания или, напротив, высокочастотные осцилляции [11]. В этом случае требуется ЭЭГ-регистратор с более широкой полосой пропускания по частоте и с высокой частотой квантования. Именно поэтому в современных электроэнцефалографах все чаще применяются так называемые каналы постоянного тока, которые способны регистрировать сигнал в частотном диапазоне от 0 до 600 Гц.

Входное сопротивление усилителя /
Amplifier input impedance

Еще одной важной характеристикой аппаратуры для точной записи регистрируемого ЭЭГ-сигнала является входное сопротивление усилителя, которое служит мерой того, насколько точно усилитель может измерять электрический потенциал без внесения искажений.

Поскольку сопротивление электродов обычно не равно нулю, важно иметь высокое входное сопротивление усилителя, для того чтобы можно было получить точный незашумленный сигнал. Обычно усилители ЭЭГ имеют входное сопротивление (импеданс) не менее 100 МОм, что обеспечивает достаточную точность измерения даже с электродами, имеющими высокое сопротивление. Так, например, при величине входного сопротивления усилителя 1 МОм импеданс электродов для удовлетворительной регистрации ЭЭГ не должен превышать 20 кОм. Увеличение входного сопротивления до 100 МОм дает возможность отводить потенциалы с электродов с худшим импедансом. Тем не менее, каким бы высоким ни был входной импеданс ЭЭГ-регистратора, на практике необходимо всегда добиваться минимально возможного импеданса при наложении регистрирующих ЭЭГ-электродов.

СРАВНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК /
COMPARISON OF TECHNICAL PARAMETERS

Начиная с 2023 г. Росздравнадзор начал публиковать на своем сайте руководства по эксплуатации всех зарегистрированных медицинских изделий [2]. Поскольку руководство по эксплуатации электроэнцефалографа содержит его технические характеристики, это позволило провести объективное сравнение ЭЭГ-оборудования, зарегистрированного в России.

Результаты впервые выполненного объективного сопоставления технических характеристик доступных в России электроэнцефалографов отечественного и импортного производства представлены в таблице 1. Сравнение выполнено только на основании данных, опубликованных на сайте Росздравнадзора [2]. Информация с сайтов производителей и из рекламных брошюр не использовалась, т.к. сведения зачастую не соответствуют официальным параметрам оборудования, которые при сертификации подвергаются проверке в тестовых лабораториях.

В сравнение вошли шесть электроэнцефалографов: четыре отечественных и два импортных. Сопоставление проводилось по каждому техническому параметру, описанному в данной статье. Следует отметить, что все ЭЭГ-регистраторы, попавшие в сравнение, соответствуют минимальным техническим требованиям, необходимым для записи ЭЭГ в соответствии с Рекомендациями экспертного совета по нейрофизиологии Российской Противоэпилептической Лиги по проведению рутинной ЭЭГ от 2016 г. [10].

Так как автор является аффилированной стороной, в статье не приводится никаких выводов из сравнения. Стоит только отметить, что современные отечественные электроэнцефалографы по своим техническим характеристикам не уступают импортным образцам, а зачастую и превосходят их.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ / CONCLUSION

В статье представлен перечень технических характеристик современного оборудования для регистрации ЭЭГ, описано влияние каждого параметра на качество регистрируемого сигнала, а также выполнено сравнение технических характеристик электроэнцефалографов, зарегистрированных на территории России. Понимание значения технических параметров должно помочь специалистам в области регистрации и анализа ЭЭГ правильно выбирать оборудование и задавать корректные настройки его параметров при работе.