EEG Elektroencefalografie Pavel Grill
Elektroencefalografie je diagnostická metoda, pomocí které jsou snímány bioelektrické potenciály vznikající při činnosti mozku. Proces činnosti mozku – myšlení, rozhodování, paměť atd. je umožňován přenosy nervových vzruchů mezi jednotlivými nervovými buňkami, které jsou umožněny pohybem iontů přes membránu a tudíž změnami elektrického napětí, které je registrováno elektrodami umístěnými na povrchu lbi. (součinností neuronů thalamu a kortexu). Hlavní strukturální a funkční jednotkou nervové soustavy je neuron. Nervový systém člověka obsahuje asi 1010 neuronů. Typický motorický neuron se skládá ze somatu (tělo neuronu), axonu a dendritů. Mozková kůra má asi 10-15 x109 neuronů. Dendrity vytvářejí rozsáhlou oblast pro styk s jinými neurony. Jediný neuron může mít více než 5500 spojů. Synapse je útvar, v němž jsou signály přenášeny z axonu jednoho neuronu k axonu, dendritu nebo somatu dalšího neuronu. Obě struktury jsou odděleny od sebe synaptickou štěrbinou o šířce 10-40 nm, která funguje jako izolátor.
Přenos signálu se děje tak, že elektrický impuls , který dosáhne presynaptické membrány, uvolní do synaptické štěrbiny neurotransmiter (každý neuron zpravidla vytváří jeden neurotransmiter). Ten difunduje do synaptické štěrbiny k postsynaptické membráně a vzbudí nový elektrický signál. Postsynaptická membrána žádný neurotransmiter neobsahuje, proto funguje jako jednosměrný ventil. Neurotransmiter je chemická látka vylučovaná ze zakončení nervů, která přenáší impulsy z jednoho neuronu (nervové buňky) na druhý a umožňuje tak šíření podráždění v nervovém systému nebo vyvolání určité reakce (stah svalu, vyprázdnění žlázy, atd.). Klidový membránový potenciál vzniká spojením obou stran membrány živých buněk. Dosahuje 60-100 mV (nitro buňky je negativní). Klidový potenciál je výsledkem nerovnoměrné distribuce iontů mezi intra a extracelulární tekutinou. Uplatňují se zde následující procesy: Sodík je aktivním transportem nepřetržitě pumpován ven z buňky, a kalium do buňky, výsledkem je 40 násobná koncentrace draslíku intracelulárně a 15 násobná koncentrace sodíku extracelulárně. Díky malé klidové propustnosti membrány je pasivní difúze téměř nulová.
Pasivní pronikání iontů membránou mění klidový membránový potenciál Pasivní pronikání iontů membránou mění klidový membránový potenciál. Jestliže negativita klidového potenciálu klesne na kritickou hodnotu prahového potenciálu, prostupnost pro sodíkové ionty prudce stoupne, sodík proudí do buňky, membrána se rychle depolarizuje, otevírají se další sodíkové kanály (tzv. kladná zpětná vazba), potenciál se dostane až do kladných hodnot. Podrážděním neuronu se vybaví akční potenciál, který postupuje k presynaptické membráně, kde uvolní neurotransmiter. Jeho množství závisí na frekvenci vzruchu v daném neuronu, odpověď postsynaptické membrány závisí na typu neurotransmiteru. Na postsynaptické membráně vzniká lokální depolarizace - EPSP (excitační postsynaptický potenciál - kolem 20 mV) nebo hyperpolarizace - IPSP (inhibiční PSP - do 4mV). Potenciálová pole vznikají na podkladě sčítání či odečítání IPSP a EPSP. EPSP = „ano“ , IPSP = „ne“
Neuron
Synapse
Podstatou elektrické aktivity mozku jsou přesuny elektricky nabitých částic - iontů - při změnách vodivosti buněčných membrán. Tyto iontové proudy vedou ke vzniku elektromagnetického potenciálového pole v extracelulárním prostoru. Elementární jednotkou, generující potenciálové pole, je z fyzikálního hlediska dipól. Aby bylo možno aktivitu dipólu registrovat povrchovými elektrodami, musí dipól generovat pole, které zasahuje až do oblasti skalpu a je tam dostatečně silné. Na úrovni jednoho neuronu je dipól tvořen na buněčné membráně, kde proud kladných iontů směřuje dovnitř - sink a místem, kde proud kationtů směřuje ven z buňky - source. Jestliže iontový tok směřující dovnitř nebo vně buňky je způsoben lokální změnou permeability membrány, mluví se o aktivním sink a source. Jestliže iontové proudy tekoucí přes membránu dokončují proudový okruh, aniž by byly spojeny s lokální změnou permeability membrány, mluví se o pasivním sink a source. Výsledný obraz potenciálového pole generovaného tímto dipólem závisí na prostorové geometrické konfiguraci těchto dvou složek dipólu. Aby potenciálové pole na povrchu bylo dostatečně silné, musí být současně aktivován velký počet neuronů.
Elektrická aktivita mozku vykazuje rytmickou aktivitu o různé frekvenci, sahající od 0.3-3.5 Hz (delta vlny), přes pásmo vln theta (4-7 Hz), alfa (8-13 Hz) k vysokým frekvencím (14-30 Hz), souhrnně označovaným jako beta vlny Jednotlivé rytmy EEG se liší: 1. lokalizací na povrchu lebky, 2. amplitudou, 3. vztahem k definovaným fyziologickým stavům, jako jsou spánek, bdění, volní pohybová aktivita, příjem a zpracování senzorické informace a změna vnitřního prostředí. Přehled jednotlivých rytmů EEG a jejich vlastností ukazuje tabulka.
Přehled jednotlivých rytmů EEG a jejich vlastností ukazuje tabulka.
Základní typy vln: Delta rytmus (0 – 4 Hz) je vždy patologickým projevem v EEG dospělého bdělého člověka. Vlny delta se vyskytují hlavně v hlubokém spánku (non REM III,IV), ale i v transu a hypnóze. Theta rytmus (4 – 8 Hz) se u zdravých lidí objevuje v centrální, temporální (spánkové) a parietální (temenní) oblasti. Patologický stav indikují theta vlny, jestliže je jejich amplituda alespoň dvakrát vyšší než aktivita alfa. REM fáze spánku. Theta a delta aktivita stoupá během psychotestů. Vlny theta se objevují v EEG signálu též v určitých spánkových fázích a při meditaci – hlubokém uvolnění. Theta vlny se často pojí se živými vzpomínkami, fantazií, obraznou představivostí, inspirací a snem – tudíž se stavy, kdy je vědomé myšlení „odpojeno“.
Alfa rytmus (8 – 13 Hz) je vlastností mozku, který je zdravý (při organické lézi se alfa mění nebo ztrácí). V bdělém stavu je maximum nad zadními oblastmi mozkových hemisfér a to v klidu (bez duševní činnosti) a při fyzické relaxaci. Alfa vlny jsou charakteristické pro stadium těsně před usnutím. Nejlépe je alfa aktivita vyjádřena při zavřených očích, tlumí se právě otevřením a duševní činností. Alfa rytmus je především aktivitou optického analyzátoru – lidé od narození slepí nemají vytvořenou alfa aktivitu. Beta rytmus (13 – 30 Hz) z hlediska lokalizace je tento rytmus symetrický. Maximum je nejčastěji nad předními částmi lebky, hlavně frontálně. Směrem dozadu ubývá. Beta vlny jsou typické pro soustředění na vnější podněty, pro logicko-analytické myšlení, ale i pro pocity neklidu, hněvu a strachu. Obvykle se netlumí pozorností či zrakovým vjemem.
Technika snímání EEG Typy elektrod: Snímání EEG signálu je zajištěno elektrodami. Elektrody jsou důležitým elementem při převodu bioelektrických potenciálů, protože mohou signál přiváděný na vstup zesilovače do značné míry zkreslit. Typy elektrod: Diskové elektrody - Kruhové elektrody o průměru 0,7-1 cm, ploché, vysoké asi 2mm. Jehlové elektrody - Poměrně tenké, délka kolem 2cm, zanořují se pod kůži. Tento druh používal Berger. El. s fysiologickým roz. - Elektroda se závitem, zašroubovaná do držáku z umělé hmoty. El. fixované koloidem - Ploché kruhové el. s prohlubní, která se vyplní vodivou pastou, vhodné spíše pro dlouhodobou registraci ( až 24 hodin ) S práškovým Ag, AgCl - Umisťují se na bezvlasé partie Speciální elektrody: Sfenoidální elektrody, nasofaryngeální elektrody, Tympanální elektrody, Kortikální elektrody (používají se při operacích a při chirurgické léčbě epilepsie)
ROZMÍSTĚNÍ EEG ELEKTROD Rozložení elektrod na hlavě není náhodné, řídí se podle jednoduchého antropometrického měření, které navrhl H. Jasper. Jde o tzv. systém 10-20, protože vzdálenost od dvou krajních poloh jak v sagitální (podélné) tak v transversální (příčné) linii je rozdělena na úseky po 10% nebo 20%. Vychází ze 4 bodů: nasion (kořen nosu), inion (výstupek na týlní kosti), body před ušním boltcem vpravo a vlevo. Lichá čísla elektrod jsou v levé, sudá v pravé polokouli. Indexem Z (zero) jsou označena místa elektrod ve středu. Označení elektrod v systému 10-20 se skládá z písmene udávající přibližnou polohu elektrody (F – frontal, P – parietal, T – temporal, O – occipital, C – central) a čísla nebo písmene určující přesnější umístění elektrody na hlavě (např. pro senzomotorickou oblast mají elektrody označení C3, C4). Kombinací ze svodového systému „10-20“ lze definovat velmi mnoho. Např. u ambulantního záznamu se velmi často používá 24-kanálový záznam (23 EEG signálů a 1 kanál je určen pro EKG)
Systém 10-20
Režimy snímání EEG Celkem sedm režimů snímání: Unipolární režim – používá společnou referenční elektrodu (nejčastěji je tato elektroda na ušním lalůčku, někdy se přitom spojují oba ušní lalůčky). Tento systém umožňuje lépe pozorovat velikost a tvar vln, získáme vyšší úroveň EEG, ale lokalizační výsledky mají větší chyby než u velmi často používaného bipolárního režimu. Bipolární režim – používá se množina svodů zapojených bez společné referenční elektrody. Označíme-li jednotlivé OZ na obrázku čísly shora dolů, pak invertující vstup k-tého OZ je vždy spojen s neinvertujícím vstupem (k+1)-ního OZ.
Zprůměrovaný režim – v tomto systému se používá společná indiferentní elektroda, obvykle vytvořená podle Goldmana. Věncový bipolární režim – systém používá elektrody umístěné v příčných řadách. Uzavřený bipolární režim – v tomto systému páry elektrod vytváří uzavřený kruh. Referenční bipolární režim – používá systém referenčních svodů. Trojúhelníkový režim – představuje speciální variantu vždy tří párů bipolárních svodů.
Před registrací vlastního EEG záznamu musíme znát fyzikální parametry zesilovačů, které prověřujeme před "natočením" vlastní EEG křivky pacienta. Jde o tzv. kalibraci. Na registračním papíře pak můžeme sledovat tyto křivky: které označují zesílení (amplitudu artefaktu), filtr zesilovače ( "ostrost" špičky artefaktu) a konečně časovou osovou konstantu (rychlost klesání z maxima na nulu). Zesílení i velikost výchylky lze měnit. Běžný filtr je 70 Hz, tzn. že většina frekvencí rychlejších než 70 Hz nepronikne do výsledné křivky. Čím je filtr nižší (30 - 50 Hz), tím je "ostrost špičky" více oblá. Časovou konstantu někdy označujeme jako dolní filtr - omezení pomalých frekvencí. Běžný parametr časové konstanty je 0,3 s to znamená, že za uvedený čas klesne vychýlené napětí o dvě třetiny k základní linii. Chceme-li registrovat pomalé rytmy, např. dechovou aktivitu, dáme co nejmenší filtr (30 nebo 15 Hz) a co nejdelší časovou konstantu (0.3 nebo 0.5 s).
Artefakty Elektrický potenciál mozku má na povrchu lbi napětí již jen několik desítek mikrovoltů (µV), tudíž elektronické zesilovače v elektroencefalografu musí být velmi výkonné. Velká výkonnost zesilovačů se nám odráží v podobě mnoha nepravých potenciálů, které nazýváme artefakty. Artefakty jsou dvojího druhu: technické a biologické. Technické: síťové napětí 50Hz (objevuje se v EEG křivce při velkých kožních odporech pod elektrodami nebo při nedokonalém uzemnění pacienta či EEG přístroje) nedostatečně vlhké elektrody porušené nebo oxidované elektrody (jsou zdrojem výbojů) polámané drátky v kabelech elektrod
Biologické: např. pohyb víček a bulbů, který se propaguje hlavně do frontálních elektrod. Akt otevření a zavření očí je díky těmto artefaktům dobře patrný – informuje o tom, zda pacient má nebo nemá otevřené oči, změnou kožního galvanického potenciálu, pocení.
Přístrojové vybavení pro snímání a zpracování EEG Můžeme rozdělit na stimulátory, část analogovou a část digitální. Stimulátor: G - generátor pulsů, L - sluchátka, S - proudový stimulátor, SE - stimulační elektroda, X - zrakový stimulátor Analogová část: A - přídavné analogové zařízení (magnetofon), AI - analogové rozhraní, BA - hlavní zesilovač, E - snímací elektrody, F - filtry, H - elektrodová hlavice, IA - vstupní zesilovače, K - vstupní komutátory, PA - koncový zesilovač, R - registrační zařízení Digitální část: AD - analogově/digitální převodník, C - řadič disků, CPU - centrální procesor, DA - digitálně/analogový převodník, DX - demultiplexor, GT - grafický terminál, I - rozhraní (interface), M - operační paměť, MD - modem (modulátor-demodulátor), MM - vnější paměť, MX - multiplexor, P - tiskárna, XY - souřadnicový zapisovač
Stimulátory Stimulátory jsou zařízení stimulující vyšetřované osoby, na kterou působí specifickými fyzikálními podněty. Stimulátory mohou být použity také i k aktivaci Stimulace zraková nejčastěji používá záblesků rtuťové výbojky, trvajících řádově 10 µs. Stimulace sluchová. Elektrický signál, přiváděný k akustickému měniči (sluchátka,reproduktory), mívá zpravidla tvar obdélníkových nebo polosinusových impulsů délky zlomku ms. Stimulace somatosenzorická. Povrch kůže na různých částech těla je drážděn napěťovými nebo výhodněji proudovými impulsy o amplitudě desítek až stovek V, resp. řádově 10 mA a trvání řádově ms. Používá se taková stimulace, kdy intervaly mezi jednotlivými podněty nejsou pravidelné, popř. mají různou intenzitu – pro zjištění nelinearit v odpovědích.
Analogová část Provádí analogové zpracování biosignálů, které snímají elektrody. Komutátory. Signál z elektrod veden do vstupních zesilovačů přes systém komutátorů, které z velkého počtu signálů vyberou ty, které budou dále zpracovány a přiřadí je definovaným způsobem jednotlivým EEG kanálům. Vstupní zesilovače jsou kvalitní diferenční zesilovače (zesilují rozdíl mezi svými dvěma vstupy) . Úkolem předzesilovačů je: snímat relativní změny biopotenciálů mezi dvěma místy na vyšetřovaném objektu; co nejméně ovlivnit měřený objekt; umožnit vyšetřovat i velmi malé napěťové rozdíly; biosignály převést k dalšímu zpracování v jinak nezměněné podobě. Předzesilovač musí mít velkou vstupní impedance (řádově 10 až 100 MΩ, vstupní proudy zlomky nA) a nízký vlastní šum (bývá okolo 1 µV na vstupu).
Filtry vymezují kmitočtové pásmo biosignálů, jež nás zajímá Filtry vymezují kmitočtové pásmo biosignálů, jež nás zajímá. Ostatní signály jsou filtrací potlačeny. Vlastnost filtru je udána dvěma hodnotami: kmitočtem zlomu f0 a strmostí, která udává, jak účinně jsou potlačeny nežádoucí kmitočty. Hornofrekvenční propust je filtr potlačující dolní část spektra, tj. kmitočty ležící pod kmitočtem zlomu. U EEG je standardně tvořena jednoduchým derivačním RC členem. Dolnofrekvenční propust omezuje naopak horní část spektra a bývá nejčastěji tvořena jednoduchým nebo dvojitým integračním RC článkem. Strmost jednoduchého článku je 6 dB/okt, strmost dvojitého článku 12 dB/okt Hlavní zesilovače mají za úkol zesílit amplitudu biosignálů na hodnoty několika V, při minimálním zkreslení signálu, neboť teprve dostatečně zesílené signály je možno dále technicky zpracovat. Často se to řeší tak, že se biosignál zesiluje nepřímo: nejdříve se jím moduluje vysoká nosná frekvence, která se zesiluje v úzkopásmových zesilovačích, a po dostatečném zesílení se signál opět demoduluje.
Rozhraní je důležitý pojem vymezující dvě základní části každého klinického EEG přístroje: část pro zesílení a nutné úpravy biosignálů a část pro jejich registraci. Signály z hlavních zesilovačů se dostávají do výstupního konektoru, na rozhraní, kde je možno rozhodnout o jejich dalším zpracování. Při nejobvyklejších klinických vyšetřeních je tento konektor přímo spojen se vstupním konektorem registračního zařízení, kde se signály již bez dalších úprav přímo zaznamenávají. Z rozhraní se však mohou signály (popř. jejich část) odvádět i do dalších míst: - do magnetofonu, kde jsou konzervovány na médiu, - ke speciálnímu analogovému zpracování, - k A/D převodníkům k číslicovému zpracování apod. Registrační zařízení může být s rozhraním stále přímo spojeno (průběžné monitorování původních signálů) anebo mohou být dotyčná zařízení do rozhraní vřazena (registrují se již upravené signály, signály z magnetofonového záznamu apod.), popř. oba způsoby kombinujeme.
Speciální analogové zpracování signálů Speciální analogové zpracování signálů. Zesílený signál může být ještě v analogové formě dále upravován, tj. nejčastěji dále filtrován. Jedná o speciální filtry, jejich princip bývá obdobný jako u filtrů již popsaných. Selektivní pásmové propusti mají velkou strmost svých amplitudových charakteristik, a proto velmi ostře vymezují přenášené kmitočtové pásmo. Tímto způsobem se dají např. z kompletního EEG signálu vytřídit jeho jednotlivé složky s kmitočtovými spektry z oblasti vln δ, ϑ, α a β. Integrátor je filtr, na jehož výstupu je napětí úměrné integrálu vstupního napětí.Integrátor si lze principiálně představit jako obyčejný integrační RC článek s vysokým kmitočtem zlomu. Jednotlivé složky signálu jsou potlačeny přímo úměrně svým frekvencím, čehož se využívá hlavně při analýzách mnohahodinových spánkových záznamů, při monitorování pacientů v kómatu apod. Kvadrátor je nelineární filtr, jehož výstupní napětí je úměrné druhé mocnině vstupního napětí, neboli je úměrné jeho okamžitému výkonu.
Koncové zesilovače a výstupní zařízení Koncové zesilovače a výstupní zařízení. Koncový zesilovač zesiluje signál, aby měl dostatečný výkon k ovládání pisátek výstupního registračního zařízení, popř. dostatečné napětí pro vychylování paprsku obrazovky. Výstupní zařízení nám umožňuje fixovat v prostoru změny signálů proběhlé v čase. K zachycování křivek na papír se nejčastěji používají elektrodynamická mechanická pisátka a uhlový papír anebo inkoustové trysky. Digitální část Digitální část provádí číslicové zpracování snímaných biosignálů. Při vyšetřování evokovaných potenciálů nebo dokonce při zavádění biologické zpětné vazby je pak použití číslicového počítače naprostou nezbytností. Paměť počítače uchovává data i program. Centrální procesor zpracovává uložená data podle posloupnosti programových instrukcí. Jeho základními částmi jsou řadič řídící tok informací v počítači a aritmeticko - logická jednotka, která provádí potřebné operace s daty.
Periférie jsou zařízení připojená k počítači. Nejdůležitější jsou: Vnější paměť, která uchovává velké množství dat Terminál je určen ke komunikaci uživatele s počítačem. Nejběžnější je obrazovkový terminál. Tiskárna umožňuje trvalý výpis programů i dat. Souřadnicový zapisovač vypisuje výsledky ve tvaru křivek. Analogově digitální (A/D) a digitálně analogové (D/A) převodníky konvertují spojitý signál do diskrétní číslicové formy a naopak a tím tvoří spojovací most mezi analogovou a digitální částí. Modem umožňuje přenos informací na velkou vzdálenost. Mezičlánky, které připojují různé další speciální přístroje, řídí stimulátory atd.
Použití EEG Při výzkumu mozku. Pomáhá nám zjišťovat, která centra mozku člověk používá pro různé ůkony. Pro zjišťování chorob, které mají vliv na mozek nebo jeho funkci. mozková encefalitidita (zánět mozku) krvácení do mozku poranění mozku mozková mrtvice poruchy spánku demence Alzheimerova nemoc epilepsie EEG biofeeback
EEG biofeedback Je to metoda, která nám umožňuje ovládat naše mozkové vlny. Jedná se o sebe-učení mozku pomocí tzv. biologické zpětné vazby. Dostaneme-li okamžitou, cílenou a přesnou informaci o ladění (případně "rozladění") našich mozkových vln, můžeme se naučit, jak je uvést do souladu. Jak se provádí? Ve vstupním vyšetření se zjistí, co je zapotřebí na správném fungování mozku zlepšit (soustředění, pozornost, vůli, paměť, uvolnění apod). Zajistíme záznam vašeho EEG (elektroencefalogram je popis elektrické aktivity mozku). Provede se zkušební EEG biofeedback trénink. Z něho se odhadne, jaký bude mít tato metoda u daného jedince úspěch.
Technika používá snímací elektrodu, přiloženou na temeno hlavy, a dvě elektrody připevněné na uši. EEG snímač zachycuje mozkové vlny a předává je počítači. Počítač analyzuje signál a zajišťuje "feedback" - zpětnou vazbu. Zpětná vazba je informace o tom, jak fungují mozkové vlny v konkrétním okamžiku. Průběh mozkových vln je viděn před člověkem na obrazovce "přeložený" do podoby video hry, která se hrajete pouze silou své myšlenky - ryzí vůlí, bez klávesnice nebo myši. „Hra“ se ovládá jen činností mozku - mozek řídí sám sebe. Narůstá-li aktivita mozku v žádoucím pásmu mozkových vln, je hráč odměňován úspěšnými výsledky. Narůstá-li aktivita v nežádoucím pásmu, úspěch ve hře mizí. Mozek postupně reaguje na motivační vodítka, které mu počítač poskytne tím, že ho odměňuje za dobré výsledky ve hře. Tak mozek sám rozvíjí proces učení nových, vhodnějších frekvencí mozkových vln.
Ukázky video her
Ukázka EEG biofeedback tréninku