Vznik EEG signálu proces činnosti mozku – myšlení, rozhodování, paměť atd. je umožňován přenosy nervových vzruchů mezi jednotlivými nervovými buňkami,

Prezentace na téma: "Vznik EEG signálu proces činnosti mozku – myšlení, rozhodování, paměť atd. je umožňován přenosy nervových vzruchů mezi jednotlivými nervovými buňkami,"— Transkript prezentace:

1 Vznik EEG signálu proces činnosti mozku – myšlení, rozhodování, paměť atd. je umožňován přenosy nervových vzruchů mezi jednotlivými nervovými buňkami, které jsou zprostředkovány pohybem iontů přes membránu a tudíž změnami elektrického napětí, které je registrováno elektrodami umístěnými na povrchu lebky (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 („výstup neuronu“) a dendritů („vstupy neurony“). mozková kůra má asi 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 nm, která funguje jako izolátor.

2 Neuron

3 Synapse

4 Vznik EEG signálu - schematicky
superpozicí (sečtením, skládáním) signálů jednotlivých neuronů (spodní část obrázku, mikro EEG) vznikají rytmické vlny registrovatelné na povrchu hlavy v podobě EEG (makro EEG) každá elektroda tak tedy snímá výsledný elektrický projev mnoha milionů neuronů ležících pod ní (to je také příčinou horšího prostorového rozlišení této metody v porovnání např. s MRI)

5 Vznik EEG signálu – detailně 1
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 vybudí 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 mínus mV (nitro buňky je negativní). Klidový potenciál je výsledkem nerovnoměrné distribuce iontů mezi intra a extracelulární tekutinou. uplatňují se zde následující procesy: sodík Na je aktivním transportem nepřetržitě pumpován ven z buňky, draslík K do buňky. Výsledkem je 40ti násobná koncentrace draslíku intracelulárně a 15 násobná koncentrace sodíku extracelulárně. Díky malé klidové propustnosti membrány je pasivní difúze téměř nulová.

6 Vznik EEG signálu – detailně 2
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“

7 Vznik EEG signálu – detailně 3
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.

8 Vznik EEG signálu – detailně 4
pomocí mikroelektrod, které mohou snímat elektrické potenciály i uvnitř jediné buňky, bylo zjištěno, že existují 3 základní druhy elektrických potenciálů v šedé kůře mozkové: jednotkové potenciály, těla neuronu či axonu, velmi krátkého trvání řádu milisekund, potenciály synaptické v trvání 15 – 40 ms a posléze potenciály dendritické, komplexnějšího tvaru a trvající až desetinu sekundy. na vzniku EEG signálu, snímaném velkými elektrodami z pokožky hlavy se v největší míře podílejí potenciály synaptické a dendritické. Důležitým mechanismem je synchronizace a EEG rytmy jsou s největší pravděpodobností projevem rytmického kolísání vzrušivosti určitých oblastí centrálního nervového systému

9 Snímání EEG standardní EEG vyšetření se snímá minut v klidové poloze při zavřených očích 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.

10 Elektrody materiály – ocel, stříbro, platina, wolfram, směs Ag/AgCl
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. elektrody s fyziologickým roztokem - elektroda se závitem, zašroubovaná do držáku z umělé hmoty elektrody fixované koloidem - ploché kruhové elektrody s prohlubní, která se vyplní vodivou pastou, vhodné spíše pro dlouhodobou registraci (až 24 hodin) s práškovým Ag, AgCl - umísťují se na bezvlasé partie speciální elektrody: sfenoidální elektrody, nasofaryngeální elektrody, tympanální elektrody, kortikální elektrody (používají se při operacích a při chirurgické léčbě epilepsie)

11 Rozmístění 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 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)

12

13

14 Režimy snímání EEG 1-2 unipolární režim – používá společnou referenční elektrodu (nejčastěji je tato elektroda na ušním lalůčku, někdy se při tom 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.

15 Režimy snímání EEG 3 - 7 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.

16 Přístrojové vybavení pro snímaní 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 - rozhranní (interface), M - operační paměť, MD - modem (modulátor-demodulátor), MM - vnější paměť, MX - multiplexor, P - tiskárna, XY - souřadnicový zapisovač

17 Stimulátory stimulátory jsou zařízení stimulující vyšetřovanou osobu, 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

18 Analogová část 1 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 impedanci (řádově 10 až 100 MΩ, vstupní proudy zlomky nA) a nízký vlastní šum  (bývá okolo 1 µV na vstupu)

19 Analogová část 2 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.

20 Analogová část 3. 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.

21 Analogová část 4 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. 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.

22 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 velká 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.