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 Hlavní strukturální a funkční jednotkou nervové soustavy je neuron. 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.
Přenos signálu se děje tak, že elektrický impuls, který dosáhne presynaptické membrány, uvolní do synaptické štěrbiny neurotransmiter (každý neuron zpravidla vytváří jeden neurotransmiter). 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. 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. Podrážděním neuronu se vybaví akční potenciál 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. 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. 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) Vlny delta se vyskytují hlavně v hlubokém spánku (non REM III,IV), ale i v transu a hypnóze. Theta rytmus (4 – 8 Hz) REM fáze spánku. Theta a delta aktivita stoupá během psychotestů.
Alfa rytmus (8 – 13 Hz) je vlastností mozku, který je zdravý Alfa rytmus (8 – 13 Hz) je vlastností mozku, který je zdravý. Alfa vlny jsou charakteristické pro stadium těsně před usnutím. Beta rytmus (13 – 30 Hz). Beta vlny jsou typické pro soustředění na vnější podněty, pro logicko-analytické myšlení
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. Jde o tzv. systém 10-20 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) Bipolární režim – používá se množina svodů zapojených bez společné referenční elektrody.
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.
Artefakty Artefakty jsou dvojího druhu: technické a biologické. 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 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. 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 Dolnofrekvenční propust omezuje naopak horní část spektra Hlavní zesilovače mají za úkol zesílit amplitudu biosignálů na hodnoty několika V, při minimálním zkreslení signálu Speciální analogové zpracování signálů. Jedná o speciální filtry, jejich princip bývá obdobný jako u filtrů již popsaných. Selektivní pásmové propusti Integrátor Kvadrátor
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. 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.
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 Provede se zkušební EEG biofeedback trénink.
Technika používá snímací elektrodu, přiloženou na temeno hlavy, a dvě elektrody připevněné na uši. 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.
Ukázka EEG biofeedback tréninku
Ukázky video her