EEG
advertisement
Elektroniczna aparatura medyczna EEG 1 Elektroencefalografia Elektroencefalografia jest jedną spośród kilku różnych elektrografii znanych w praktyce medycznej i naukowej. Każda elektrografia polega na pomiarze i rejestracji potencjałów elektrycznych, których źródłem są procesy zachodzące w komórkach żywego organizmu. W organizmach zwierzęcych aktywnością elektryczną charakteryzują się komórki mięśniowe oraz komórki nerwowe. 2 W zależności od obszaru zastosowań oraz od rodzaju tkanek i narządów które generują badane potencjały techniki elektrograficzne podzielić można na: a) wykorzystujące czynność elektryczną tkanki nerwowej: - elektroencefalografia (EEG) - badanie potencjałów generowanych przez komórki nerwowe mózgu odprowadzanych z powierzchni głowy - elektrokortykografia - metoda pomiaru aktywności elektrycznej kory mózgowej na podstawie sygnałów odprowadzonych bezpośrednio z jej powierzchni (często utożsamiana z EEG operacyjnym) - elektroretinografia - badanie czynności elektrycznej siatkówki oka za pomocą elektrody umieszczonej na rogówce. - elektroneurografia - badanie przewodnictwa elektrycznego nerwów za pomocą elektrod wkłuwanych lub zlokalizowanych na powierzchni skóry wzdłuż drogi nerwu. 3 b) wykorzystujące czynność elektryczną tkanki mięśniowej: - elektrokardiografia (EKG) - dotyczy potencjałów elektrycznych mięśnia sercowego - elektromiografia (EMG) - badanie czynności elektrycznej mięśni szkieletowych - elektrookulografia (EOG) - badanie aktywności elektrycznej mięśni gałki ocznej - elektroenterografia - badanie aktywności mięśni gładkich przewodu pokarmowego (żołądka i jelit) 4 Badanie EEG - zarejestrowanie zmian potencjałów elektrycznych istniejących w całej objętości głowy oraz na jej powierzchni, generowanych przez mózg. Najczęściej potencjały są mierzone na powierzchni głowy, rzadziej stosuje się elektrody tzw. głębinowe służące do odprowadzania potencjałów wprost z mózgu (konieczne jest operacyjne otwarcie czaszki). Zastosowanie znajdują również elektrody igłowe wkłuwane pod skórę głowy. Mimo wielkich zmian technicznych konstrukcja aparatu nie zmieniła się zasadniczo. Nadal na głowie pacjenta umieszczamy elektrody, przewody doprowadzają sygnał do wzmacniaczy i filtrów. 5 Trochę fizjologii Na skutek zadziałania odpowiednio silnego bodźca następuje depolaryzacja błony komórkowej neuronu. Lokalna depolaryzacja oznacza powstanie różnicy potencjałów pomiędzy odcinkami neuronu i przepływ prądu jonowego w środowisku otaczającym neuron. Powstający i zanikający prąd wytworzy pole elektryczne. Wiele neuronów jednocześnie będzie generowało pole elektryczne w objętości mózgu. Elektroda EEG zarejestruje pewną wartość wypadkową takich pól generowanych przez komórki nerwowe mózgu. 6 Badanie elektrycznej aktywności mózgu jest tzw. badaniem funkcjonalnym w odróżnieniu od badania strukturalnego (morfologicznego). Analiza funkcjonalna na za zadanie przedstawić obraz zmian zachodzących w czasie pewnych wielkości (w przypadku EEG będą to potencjały), wywoływanych przez funkcje życiowe badanego organu. W analizie strukturalnej przedmiotem obrazowania płaskiego lub pseudo trójwymiarowego jest wyznaczenie rozmieszczenia tkanek wchodzących w skład organu. 7 Na przestrzeni ostatnich lat aparaty EEG przeszły zasadniczą metamorfozę. Dzięki postępowi technicznemu gabaryty aparatu zmniejszyły się od rozmiarów dużej komody do wymiarów kieszonkowych umożliwiających noszenie go na pasku pacjenta i rejestrację całodobową. 8 Zaletą EEG używanego w praktyce klinicznej jest nieinwazyjność metody. Pacjent podłączony do aparatu EEG nie jest w żaden sposób pobudzany elektrycznie, nie jest narażony na dodatkowe promieniowanie elektromagnetyczne, nie musi też przyjmować żadnych środków "wspomagających" diagnostykę jak np. kontrast. W odróżnieniu od RTG, CT, MRI, USG czy innych technik, EEG nie wywiera żadnego wpływu na badany organizm poza bodźcem psychicznym samej świadomości podlegania badaniu. 9 Potencjał spoczynkowy komórki Każda komórka organizmu otoczona jest błoną komórkową, wyróżnimy więc trzy obszary: wnętrze, błonę i zewnętrze komórki. Błona ta ogranicza przemieszczanie się cytoplazmy, jądra oraz organelli wewnątrz komórki i odpowiada za selektywną wymianę pewnych substancji z otoczeniem (takich jak substancje odżywcze, produkty przemiany materii, jony). Jony w organizmie są nośnikami ładunku elektrycznego. Jony dodatnie czyli kationy to cząsteczki lub związki pozbawione jednego lub więcej elektronów. Aniony to jony ujemne posiadające nadmiar elektronów. 10 Jeżeli w pewnym miejscu nastąpi rozdzielenie jonów dodatnich od jonów ujemnych, spowoduje to powstanie obszarów o zróżnicowanym ładunku elektrycznym i wystąpienie różnicy potencjałów elektrycznego na ich granicy, np. w przypadku błony komórkowej. 11 Potencjał spoczynkowy neuronu wynosi około -70mV. Wartość ujemna oznacza że wewnątrz komórki gromadzi się ładunek ujemny w stosunku do ładunku na zewnątrz komórki. Mechanizmy powodujące przemieszczanie się jonów w poprzek błony komórkowej: - dyfuzja - powoduje ruch jonów w kierunku zmniejszenia ich koncentracji. - pompa jonowa - transportuje wybrane jony wbrew gradientowi stężenia, gradientowi potencjału lub obu równocześnie. 12 Wypadkowe stężenie jonów potasu jest około 30 razy większe niż na zewnątrz komórki, natomiast jonów sodu jest 10 razy mniejsze niż na zewnątrz komórki. Potencjał czynnościowy komórki Przewodzenie międzyneuronalne czyli pomiędzy aksonem i dendrytem sąsiednich komórek odbywa się na drodze chemicznej. 13 Wzdłuż samego aksonu, podobnie jak wzdłuż dendrytów, przewodzenie impulsu nerwowego odbywa się na drodze elektrycznej (dzięki temu możemy rejestrować aktywność elektryczną układu nerwowego m.in. mózgu). Elektryczne przewodzenie impulsu nerwowego jest szybsze od transmisji chemicznej, a możliwe jest dzięki istnieniu potencjału spoczynkowego. Warunkiem zaistnienia przewodzenia impulsu nerwowego w aksonie jest odebranie bodźca wystarczająco silnego. Jeśli bodziec będzie słaby czyli podprogowy to wywoła on jedynie lokalną zmianę potencjału. Bodziec wystarczająco silny wywoła potencjał czynnościowy czyli takie zaburzenie potencjału spoczynkowego neuronu, które spowoduje przewodzenie tego zaburzenia wzdłuż aksonu. 14 Depolaryzacja błony o około 15mV nie powoduje powstania impulsu nerwowego, jest to pobudzenie podprogowe. Silniejsza depolaryzacja spowoduje całkowitą depolaryzację a nawet chwilową odwrotną polaryzację do +35mV (efekt nazwany iglicą). 15 Obszar objęty depolaryzacją rozprzestrzenia się wzdłuż aksonu. W obszarze sąsiadującym z miejscem depolaryzacji także dochodzi do depolaryzacji, a następnie do repolaryzacji. Cykl depolaryzacji i repolaryzacji trwa około 1 milisekundy. W czasie kolejnych kilku milisekund neuron powraca do potencjału spoczynkowego i jest on w tym czasie mniej wrażliwy na bodźce. Błona komórkowa neuronu jest naładowana dodatnio w stanie spoczynku, a impuls nerwowy to przemieszczający się obszar ładunku ujemnego (rys. obok): 16 Trochę historii Historia odkrycia elektrycznej aktywności tkanek żywych liczy sobie ponad dwieście lat. "Elektryczność tkanek żywych" po raz pierwszy została zaobserwowana w roku 1786. Luigi Galvani wykonał słynne doświadczenie dotykając mięśnia wypreparowanej kończyny żaby dwoma różnymi metalami (połączonymi ze sobą tak że wytwarzały potencjał) powodował jej skurcz. 17 Trochę historii Angielski fizyk Richard Caton w 1875 r. po raz pierwszy w historii opublikował informację o "słabych prądach mózgu" czyli o zarejestrowaniu przez niego spontanicznej aktywności elektrycznej mózgu. Jego eksperyment dotyczył kory mózgowej laboratoryjnych zwierząt: królików i kotów. Odkrycie bardzo małych potencjałów (rzędu mikrowoltów) jest tym bardziej doniosłe, że w tamtych czasach nie znano metod wzmacniania sygnałów elektrycznych. Najczulszym przyrządem pomiarowym był galwanometr. Potencjały były mierzone bezpośrednio na powierzchni kory mózgowej. 18 Trochę historii Odkrycia aktywności elektrycznej mózgu dokonał niezależnie od Catona polski uczony Adolf Beck w 1890 r. (odkrycie Catona nie było wówczas znane poza Wielką Brytanią). Motywem podjęcia tych eksperymentów przez Backa był konkurs ogłoszony w październiku 1888 przez prof. Cybulskiego. Ogromne postępy w zakresie jego badania i interpretacji poczynił właśnie profesor Napoleon Nikodem Cybulski, jednak wieloletni brak funduszy na sprzęt fotograficzny odebrał mu szansę na pierwszeństwo w opublikowaniu zdjęcia zapisu czynności elektrycznej mózgu. 19 Trochę historii W roku 1924 niemiecki neurolog Hans Berger dokonał pierwszej rejestracji potencjału mózgowego u człowieka. Jako elektrod użył metalowych pasków przyklejonych do skóry głowy pacjenta, jako rejestrator wykorzystał czuły galwanometr strunowy, który miał rozdzielczość zapisu 1mV/cm. Stosował także elektrody igłowe wkłuwane w skórę czaszki. Za pomocą tak skonstruowanej aparatury Berger potrafił mierzyć potencjały o amplitudzie kilkudziesięciu mikrowoltów generowane przez mózg: 20 Analizując następujące po sobie zmiany położenia ruchomej części galwanometru zostawiającej ślad na wstędze papieru zaobserwował pewne wzory, prawidłowości kształtu fal mózgowych. W latach 1924-1938 Berger stworzył podwaliny dla wielu dzisiaj spotykanych aplikacji elektroencefalografii. On pierwszy użył określenia "elektroencefalogram" w odniesieniu do pomiaru potencjałów mózgowych zastępując proponowane wcześniej określenie "elektrocelebrogram". Zaobserwował że fale mózgowe nie są całkowicie przypadkowe ale wykazują pewną okresowość i regularność. Zauważył też że przewaga pewnych fal jest zależna od aktywności organizmu. Wywnioskował że na fale mózgowe wpływ mają pewne zmiany patologiczne po tym jak zarejestrował wyraźny wzrost amplitudy fal podczas napadu konwulsji u pacjenta. 21 Pomimo wielu ciekawych spostrzeżeń wynikających z badań Bergera jego publikacja w 1929 nie wzbudziła większego zainteresowania. Dopiero powtórzone doświadczenia przeprowadzone przez brytyjskich naukowców spowodowały zainteresowanie świata nauki falami mózgowymi. W 1934 roku Adrian i Matthews opublikowali pracę uwierzytelniającą dotychczasowe dokonania Bergera. Zidentyfikowali i sklasyfikowali oni pewne fale: regularne oscylacje 10-12 Hz zarejestrowane na płacie potylicznym kory mózgowej nazwali alfa. Zaobserwowano że fale alfa zanikają gdy badany wykazuje wzmożoną uwagę, skupienie. Podstawy fizjologiczne zjawiska "wpływu zewnętrznego pobudzenia" zostały opisane dopiero w 1949 roku. 22 Obecnie sprzęt EEG umożliwia rejestrację potencjałów nawet ze 128 elektrod (w celach badawczych, nie w praktyce klinicznej) rozmieszczonych na powierzchni głowy a pasmo rejestrowanych częstotliwości sięga 10 kHz. Aktualny stan techniki daje o wiele większe możliwości niż wymagania stawiane przez EEG. Dalszemu rozwojowi podlega natomiast interpretacja wyników badań. Elektrody Potencjał elektryczny na powierzchni głowy pacjenta mierzony jest stykowo. Odprowadzenia sygnału do aparatu EEG są zakończone elektrodami. Wyróżnić można elektrody: 23 - miseczkowe - powszechnie stosowane elektrody pozłacane lub powlekane AgCl o kształcie miseczki do wewnątrz której nakłada się żelu kontaktowego, następnie elektrodę przykłada się we właściwym miejscu i przykleja. - grzybkowe - elektrody o kształcie odwróconego grzybka, lub stempla, dotykają do skóry przez bufor z elektrolitu, którym nasączona jest gąbka lub gaza otaczająca końcówkę elektrody. - węglowe - wykonane z węgla spieczonego z metalowym proszkiem, stosowane dla uniknięcia polaryzacji złącza elektrodaelektrolit 24 - klipsowe - wykonane z metalu, stosowane do odprowadzeń usznych - igłowe - służą do wkłuwania pod skórę, wykonane z platyny lub jej stopów, zapewniają stabilność pomiaru jednak stwarzają ryzyko powstania zakażenia - specjalne - np. nosowo-gardłowe to elektrody wykonane z elastycznego drutu srebrnego izolowanego na całej długości z wyjątkiem zakończenia, wprowadzane podczas bania do jamy nosowo-gardłowej. Istotne jest zapewnienie dobrego kontaktu elektrycznego pomiędzy elektrodą a tkanką. Parametrami charakteryzującymi dobre połączenie między aparatem EEG a skórą głowy pacjenta są: mała rezystancja, mała pojemność elektryczna, niewielki potencjał statyczny, stabilność czasowa tych parametrów oraz mała wrażliwość na zmiany temperatury i czynniki zewnętrzne zwłaszcza 25 mechaniczne. Rozmieszczenie elektrod 1. odpowiednie oczyszczenie skóry na głowie pacjenta - przemycie skóry spirytusem w celu odtłusszczenia. 2. stabilizacja połączenia elektrycznego - utworzenie pomiędzy elektrodą, a skórą warstwy elektrolitu o stałej i niezmiennej podczas badania grubości. Do elektrod kubkowych do środka nakłada się gęsty żel, aby po dociśnięciu do skóry utworzył cienką warstwę pod elektrodą. Wygodne w użyciu elektrody grzybkowe z buforem w postaci gąbki lub gazy nasączanej elektrolitem (np. solą fizjologiczną czyli roztworem NaCl) bezpośrednio przed badaniem. 26 Sól fizjologiczna zawiera dużo wody ciepłota skóry powoduje parowanie wody z roztworu a w efekcie zwiększanie stężenia NaCl, w skrajnym przypadku nawet krystalizację co znacznie pogarsza impedancję kontaktu. Sól fizjologiczna jako elektrolit "kontaktowy" nie nadaje się do przeprowadzania badań długoterminowych. Ważnejest odpowiednie dawkowanie elektrolitu ponieważ zbyt mała jego ilość będzie powodować niestabilny, słaby kontakt elektryczny, zbyt duża ilość elektrolitu może powodować powstawanie tzw. mostów między sąsiednimi elektrodami, czyli połączenia elektrycznego między nimi, co w efekcie uniemożliwia prawidłową rejestrację. 27 Rozmieszczenie elektrod powinno być zgodne ze standardem "1020", który został zaproponowany przez Międzynarodową Federację Elektroencefalografii i Neurologii Klinicznej w 1958 roku i jest powszechnie stosowany na całym świecie. Położenie elektrod jest zdefiniowane względem punktów charakterystycznych czaszki. Pozwala to na zachowanie proporcjonalnego rozmieszczenia elektrod niezależnie od wielkości czaszki i umożliwia porównywanie elektroencefalogramów różnych pacjentów. Powtarzalne rozmieszczenie elektrod jest też istotne przy porównywaniu elektroencefalogramów zarejestrowanych w pewnych odstępach czasu u jednego pacjenta. 28 System "10-20" opisuje rozmieszczenie 21 standartowych elektrod, został jednak zaprojektowany w ten sposób że umożliwia jednoznaczne rozmieszczenie większej liczby elektrod. Numeracja jest rosnąca od środka głowy z pominięciem pewnych liczb. Te brakujące liczby to właśnie miejsca na umieszczenie dodatkowych elektrod w razie potrzeby przeprowadzenia niestandardowego badania. 29 Elektrody o numerach nieparzystych leżą na lewej półkuli głowy, parzyste po prawej. Litery opisują elektrody według anatomicznych obszarów czaszki: Fp - przedczołowe, F - czołowe, C - centralne, T - skroniowe, P- ciemieniowe, O - potyliczne, S - uszne. 30 Mocowanie elektrod Elektroda powinna być założona tak aby zapewniała stały, o niskiej impedancji, kontakt elektryczny ze skórą. Stosowane są tzw. czepki - gumowe opaski oplatające głowę połączone w sieć, zapewniające stały docisk elektrody do skóry. Rozciągliwość gumowych pasków pozwala na dopasowanie czepka do indywidualnych rozmiarów głowy każdego pacjenta. 31 Innym sposobem na montowanie elektrod jest ich przyklejanie. Stosuje się wtedy kolodium, czyli zawiesinę która szybko schnie i przykleja się do skóry. Jest bardziej czasochłonny niż dla metody z czepkiem, stąd zastosowanie klejenia ma miejsce tylko w sytuacji pomiarów dobowych oraz w przypadku badań na pacjentach ruchliwych, u których czepek nie gwarantuje stabilnego rozlokowania elektrod. 32 Schemat blokowy aparatury do rejestracji sygnału EEG 33 Fale mózgowe Fale alfa są rytmiczną aktywnością kory mózgowej w paśmie 8-12 Hz, jedna z najwcześniej zaobserwowanych struktur (grafoelementów) EEG Występowanie rytmu alfa przypisuje się stanowi relaksu z zamkniętymi oczami. Fale alfa najlepiej widoczne są w odprowadzeniach tylnych (potylicznych), czyli z okolic części kory odpowiadającej za przetwarzanie informacji wzrokowych. 34 Fale alfa mają fundamentalne znaczenie dla analizy EEG, ponieważ świadczą o „przedsennym” czuwaniu pacjenta, a jej zanik oznacza przejście ze stanu czuwania do płytkiego snu. Rytm o częstości w paśmie alfa rejestrowany w okolicach kory motorycznej nazywany jest też rytmem mu (μ). Wykazuje on istotny zanik w momencie wykonywania ruchu przez człowieka lub tylko zamierzenia jego wykonania. Rytm alfa to fale o częstościach z zakresu 8Hz - 13Hz. Fale o tych częstościach zostały jako pierwsze zaobserwowane przez Hansa Bergera i nazwane pierwszą literą alfabetu greckiego. 35 U zdrowego człowieka największe amplitudy rytmu alfa występują w części potylicznej. Podczas rejestracji krótkoterminowej (kilkanaście minut) zmiana częstości w kanale nie przekracza zazwyczaj +/- 0.5Hz. Zaobserwowano natomiast prawidłowości w zmianie częstości z zakresu alfa na przestrzeni życia człowieka. Zaobserwowano krótkotrwały zanik fal alfa u zdrowego człowieka pod wpływem bodźców fizycznych, otwarcia oczu lub koncentracji uwagi. Istnieje pewien odsetek zdrowych ludzi u których rytm alfa w ogóle nie występuje. 36 Rytm alfa fundamentalne znaczenie w analizie EEG snu. Mimo, że nie występuje podczas właściwego snu to świadczy o „przedsennym” czuwaniu pacjenta, a jej zanik oznacza przejście ze stanu czuwania do płytkiego snu. Fale alfa zanikają także podczas wysiłku umysłowego, np. wykonywaniu działań matematycznych albo przy otwarciu oczu i zadziałaniu na nie światła. Blokowanie rytmu alfa jest wyrazem desynchronizacji aktywności neuronów, zachodzącej pod wpływem koncentracji umysłowej lub stymulacji narządów zmysłów. 37 Cechy charakterystyczne: • Podstawowy rytm prawidłowego zapisu EEG u dorosłej osoby. • Quasi harmoniczny przebieg o częstości 7-13 Hz. • Wzrost amplitudy po zamknięciu oczu, w stanie relaksu czy czuwania z zamkniętymi oczami. • Zanika po otwarciu oczu. • Fale alfa najlepiej widoczne są w odprowadzeniach tylnych, czyli z okolic części kory odpowiadającej za przetwarzanie informacji wzrokowych. Czasem jednak może propagować się w kierunku obszarów tylno skroniowych i ciemieniowych. 38 • Występuje mniej lub bardziej symetrycznie względem płaszczyzny strzałkowej, zwykle jednak ma większą amplitudę nad półkulą dominującą. Zbyt duża asymetria amplitudy rytmu alfa lub też jego brak po jednej stronie zawsze świadczy o jakiejś patologii. Często jednak przyczyną takiej asymetrii jest niewłaściwe umieszczenie elektrod na głowie bądź budowa anatomiczna czaszki. Cechy patologiczne: • Częstość rytmu ulega zmniejszeniu pod wpływem takich czynników jak: choroby metaboliczne, wczesne fazy otępienia, leki. 39 Rytm alfa 40 Fale mózgowe Fale delta są wysokoamplitudową aktywnością o niskiej częstości (0-4 Hz) i czasie trwania co najmniej 1/4 s. Do celów praktycznych przyjęto, że dolną granicą częstości jest 0,5 Hz. Pojawiające się podczas głębokiego snu fale delta o amplitudzie przekraczającej 75 μV nazywa się falami wolnymi (SWA). Ich występowanie spowodowane jest wysoką synchronizacją neuronów kory (większą spotyka się tylko podczas ataku epilepsji). Fale delta rejestruje się także podczas głębokiej medytacji, u małych dzieci i w przypadku pewnego rodzaju uszkodzeń mózgu. 41 Fale mózgowe Aktywność theta - aktywność w paśmie od 3 do 7 Hz i rozpiętości rzędu kilkudziesięciu μV. Charakterystyczne fale theta występują np. w okresie snu płytkiego – przypuszcza się że w tym czasie następuje przyswajanie i utrwalanie uczonych treści. Fale theta są najczęściej występującymi falami mózgowymi podczas medytacji, transu, hipnozy, intensywnego marzenia, intensywnych emocji. Odmienny rodzaj fal theta jest związany z aktywnością poznawczą, kojarzeniem ─ w szczególności uwagą, a także procesami pamięciowymi. Jest on obserwowany głównie w przyśrodkowej części przedniej części mózgu. 42 Fale mózgowe Fale beta lub rytm beta - niskoamplitudowe oscylacje o częstości w przedziale 12-30 Hz. W paśmie beta wyróżnia się następujące przedziały: wolne fale beta (12-15 Hz), właściwe-średnie pasmo beta (15-18 Hz) i szybkie fale beta, o częstości powyżej 19 Hz. Ta mało zsynchronizowana praca neuronów charakteryzuje zwykłą codzienną aktywność kory mózgowej u człowieka, percepcję zmysłową i pracę umysłową. Specyficzna aktywność beta towarzyszy również stanom po zażyciu niektórych leków. 43 Fale beta zazwyczaj występują w okolicy czołowej. Obrazują one zaangażowanie kory mózgowej w aktywność poznawczą. Fale beta o małej amplitudzie występują podczas koncentracji uwagi, gdy mózg nastawiony jest na świadomy odbiór bodźców zewnętrznych za pomocą wszystkich zmysłów. Fale beta występują symetrycznie na obu półkulach mózgowych. Ma to duże znaczenie dla wykrywania zmian patologicznych. Należy mieć na uwadze możliwość asymetrii zapisu natury technicznej np. nierównomierne rozmieszczenie elektrod. 44 Fale mózgowe Fale gamma - fale mózgowe o częstości w okolicach 40 Hz (30 80 Hz). Aktywność w paśmie 80 - 200 Hz określa się natomiast jako wysokoczęstotliwościowa (high) gamma. Rytm gamma towarzyszy aktywności ruchowej i funkcjom motorycznym. Fale gamma związane są też z wyższymi procesami poznawczymi, m.in. percepcją sensoryczną, pamięcią. 45 Fale mózgowe Przypuszcza się, że rytm gamma o częstotliwości około 40 Hz ma związek z świadomością percepcyjną (dotyczącą wrażeń zmysłowych i ich postrzegania) oraz związany jest z integracją poszczególnych modalności zmysłowych w jeden spostrzegany obiekt. Aktywność high-gamma występuje podczas aktywacji kory mózgowej, zarówno przez bodźce zewnętrzne (np. dotykowe, wzrokowe), jak i wewnętrzne (przygotowanie ruchu, mowa). Fale o częstościach 100-250 Hz nazywane są ripples. Rejestruje się je w sygnale z implantowanych mikroelektrod, a wysokoczęstościową aktywność fast ripples (250-600 Hz) w szczególności u pacjentów z epilepsją, w obszarze ogniska epileptycznego. 46 Fale mózgowe Wrzeciona snu to charakterystyczne struktury zaobserwowane już niemal od samych początków historii pomiarów EEG. Występują podczas umiarkowanie głębokiego snu. Wrzecionami snu nazywamy aktywność o częstości 12 - 14 Hz i czasie trwania 0,5 - 1,5 s. Obwiednia tych krótkich salw dość szybkiej aktywności o niewielkiej amplitudzie przypomina kształt wrzeciona. Wrzeciona pojawiają się we wszystkich odprowadzeniach, z tym, że ich amplituda i częstość może się nieznacznie zmieniać przy przejściu od przodu do tyłu głowy (od wrzecion „wolnych” po „szybkie”). 47 Fale mózgowe Wrzeciona snu mogą, występować w parach z kompleksami K. Kompleksy K mogą pojawiać się pojedynczo lub też w serii po dwa podczas umiarkowanie głębokiego snu. Definiuje się je jako dwufazową (ostry spadek poprzedzony dodatnim maksimum), wysokonapięciową (to największy pik strefy), niskoczęstotliwościową falę związaną z wrzecionami snu, przy czym jej czas trwania powinien przekraczać 0,5 s. 48 Fale mózgowe Fale piłokształtne pojawiają się w EEG w czasie snu paradoksalnego (REM), są to wierzchołkowe, ujemne fale o umiarkowanej częstości i amplitudzie. Falą piłokształtną nazywa się pojedyncze lub zgrupowane po kilka fale o częstości 6 - 10 Hz, amplitudzie rzędu kilkudziesięciu μV i wyraźnym kształcie zębów piły. Wierzchołkowe fale ostre występują pod koniec okresu płytkiego snu. Aktywnością tą określa się ostry potencjał maksymalny w okolicy wierzchołkowej, ujemny w stosunku do innych pól, o amplitudzie zmiennej, często dochodzącej do 250 μV peak-to-peak. 49 Fale mózgowe Iglice - nazwa ograniczona do padaczkopodobnych wyładowań, obserwowanych także w zapisie międzynapadowym EEG. Są to grafoelementy wyraźnie wyróżniające się z czynności podstawowej, z ostrym wierzchołkiem i często następującą po nim falą wolną. Czas trwania iglicy wynosi zazwyczaj od 20 do 70 milisekund, a amplituda co najmniej dwa razy większa o od amplitudy tła w obrębie około 5 sekund. Ponadto, w zapisie EEG pojawiają się w postaci artefaktów ślady wolnych ruchów gałek ocznych (SEM), obserwowane w odprowadzeniach EOG (elektrookulogram) zwłaszcza w stanie płytkiego snu oraz szybkie ruchy gałek ocznych (REM), występujące podczas snu paradoksalnego. 50 Fale mózgowe Znajomość struktur widocznych w sygnale EEG i ich korelat behawioralnych i klinicznych jest wynikiem dziesięcioleci wzrokowej analizy przebiegów EEG - kiedyś zapisywanych na papierze, dzisiaj wyświetlanych na ekranie monitora. Pomimo dążenia do standaryzacji opisu i nazewnictwa struktur (por. np. Rechtschaffen i Kales, 1968) różni eksperci, a czasem nawet ten sam ekspert po jakimś czasie, opiszą zawartość tego samego fragmentu EEG w sposób zwykle podobny, ale nie jednakowy. Powoduje to ogromne trudności w implementacji metod matematycznej analizy szeregów czasowych pod kątem zgodności z tradycją analizy wzrokowej w sytuacji, gdy samo kryterium nie jest do końca jednoznaczne. 51 Rytm delta to wysokoamplitudowa aktywność o niskiej częstości (0-4 Hz) i czasie trwania co najmniej 1/4 s. Do celów praktycznych przyjęto, że dolną granicą częstości jest 0,5 Hz. Pojawiające się podczas głębokiego snu fale delta o amplitudzie przekraczającej 75 μV nazywa się falami wolnymi (ang. slow wave activity, SWA). Występowanie SWA spowodowane jest wysoką synchronizacją neuronów kory (większą synchronizację spotyka się tylko podczas ataku epilepsji). Fale delta rejestruje się także podczas głębokiej medytacji, u małych dzieci i w przypadku pewnego rodzaju uszkodzeń mózgu. 52 Fale delta w czasie snu 53 Rytm teta - aktywność w paśmie częstości od 3 do 7 Hz i rozpiętości rzędu kilkudziesięciu μV. Charakterystyczne fale teta występują np. w okresie snu płytkiego — przypuszcza się że w tym czasie następuje przyswajanie i utrwalanie uczonych treści. Fale teta są najczęściej występującymi falami mózgowymi podczas medytacji, transu, hipnozy, intensywnego marzenia, intensywnych emocji. Odmienny rodzaj fal teta jest związany z aktywnością poznawczą, kojarzeniem (w szczególności uwagą), a także procesami pamięciowymi (tzw. rytm FMΘ — frontal midline theta). Jest on obserwowany głównie w przyśrodkowej części przedniej części mózgu. 54 Cechy charakterystyczne: • Rytmiczny przebieg o częstości 3-7 Hz. • Najwyższa amplituda w stanie czuwania w okolicach linii środkowej i obszarach skroniowych. • Rozkład amplitudy symetryczny na półkulach określonych przez płaszczyznę strzałkową Cechy patologiczne: • Asymetryczny rozkład amplitudy (dominacja rytmu na jednej półkuli) bądź też jego występowanie w zapisie tylko na jednym odprowadzeniu może świadczyć o patologii. 55 Przykład rytmu teta we śnie 56 Rytm μ Cechy charakterystyczne: • Rytmiczny przebieg o częstości od 7-11 Hz, z uwagi na co często mylony z rytmem alfa. • Wyraźny przebieg, kształtem przypominający grecką literę μ. • Zanika w trakcie wykonywania ruchu bądź nawet pod wpływem samego jego wyobrażenia . 57 Rytm β Fale beta to niskoamplitudowe oscylacje o częstości w przedziale 13-30 Hz. Wyróżnia się przedziały: wolne fale beta (12-15 Hz), właściwe, średnie pasmo beta (15-18 Hz) i szybkie fale beta, o częstości powyżej 19 Hz. Ta mało zsynchronizowana praca neuronów charakteryzuje zwykłą codzienną aktywność kory mózgowej u człowieka, percepcję zmysłową i pracę umysłową. Specyficzna aktywność beta towarzyszy również stanom po zażyciu niektórych leków. Fale beta zazwyczaj występują w okolicy czołowej. Obrazują one zaangażowanie kory mózgowej w aktywność poznawczą. Fale beta o małej amplitudzie występują podczas koncentracji uwagi, gdy mózg nastawiony jest na świadomy odbiór bodźców zewnętrznych za pomocą wszystkich zmysłów. 58 Cechy charakterystyczne: • Rytmiczny przebieg o częstości od 13 do 30 Hz. • Amplituda nie zmienia się pod wpływem otwarcia lub zamknięcia oczu. • Najwyższa amplituda w okolicach czołowo-centralnych. • Asymetryczny zanik rytmu w trakcie wykonywania ruchu lub nawet jego wyobrażenia. Zanik obserwowalny jest w zapisie EEG z elektrod umieszczonych nad obszarami mózgu odpowiedzialnymi za kończynę wykonującą ruch (kontralatralnie czyli po przeciwnej stronie niż kończyna). 59 Fale γ Fale gamma to fale mózgowe o częstości w okolicach 40 Hz (30-80 Hz). Aktywność w paśmie 80-200 Hz określa się natomiast jako wysokoczęstotliwościowa (ang. high) gamma. Rytm gamma towarzyszy aktywności ruchowej i funkcjom motorycznym. Fale gamma związane są też z wyższymi procesami poznawczymi, m. in. percepcją sensoryczną, pamięcią. Przypuszcza się, że rytm gamma o częstotliwości około 40 Hz ma związek z świadomością percepcyjną (dotyczącą wrażeń zmysłowych i ich postrzegania) oraz związany jest z integracją poszczególnych modalności zmysłowych w jeden spostrzegany obiekt. Aktywność high-gamma występuje podczas aktywacji kory mózgowej, zarówno przez bodźce zewnętrzne (np. dotykowe, wzrokowe), jak i wewnętrzne (przygotowanie ruchu, mowa). 60 Fale o częstościach 100-250 Hz nazywane są ripples. Rejestruje się je w sygnale z implantowanych mikroelektrod, a wysoko częstościową aktywność fast ripples (250-600 Hz) w szczególności u pacjentów z epilepsją, w obszarze ogniska epileptycznego. 61 Wrzeciona snu Wrzeciona snu (ang. sleep spindles) to charakterystyczne struktury zaobserwowane już niemal od samych początków historii pomiarów EEG. Występują podczas umiarkowanie głębokiego snu. Wrzecionami snu nazywamy aktywność o częstości 11-15 Hz i czasie trwania 0,5-1,5 s. Obwiednia tych krótkich salw dość szybkiej aktywności o niewielkiej amplitudzie przypomina kształt wrzeciona. Wrzeciona pojawiają się we wszystkich odprowadzeniach, z tym, że ich amplituda i częstość może się nieznacznie zmieniać przy przejściu od przodu do tyłu głowy (od wrzecion „wolnych” po „szybkie”). 62 Trzy wrzeciona snu 63 Zespoły K Kompleksy K mogą pojawiać się pojedynczo lub też w serii po dwa podczas umiarkowanie głębokiego snu. Definiuje się je jako dwufazową (ostry spadek poprzedzony dodatnim maksimum), wysokonapięciową (to największe maksimum strefy), nisko częstotliwościową falę związaną z wrzecionami snu, przy czym jej czas trwania powinien przekraczać 0,5 s. Obecnie wymaga się aby struktury te miały częstość 1-4 cykli/s, amplitudę co najmniej dwa razy większą od średniej amplitudy tła i czas trwania 0,5-2 s. Amplituda kompleksu K jest zazwyczaj największa na czubku głowy. Kompleksy K mogą podczas snu występować spontanicznie lub też w odpowiedzi na bodźce. 64 Zespoły K z następującymi po nich wrzecionami snu 65 Artefakty Ze względu na swoje pochodzenie artefakty można podzielić na biologiczne i techniczne. Źródłem artefaktów w EEG natury biologicznej są organy inne niż mózg i tkanki w organizmie badanego wykazujące aktywność elektryczną. Zarówno neurony jak i mięśnie w całym ciele pacjenta generują zmienne potencjały elektryczne. Ponieważ ciało jest niejednorodnym przewodnikiem, potencjały te będą docierać do elektrod EEG z różnym tłumieniem. Wpływ źródeł zakłócających będzie wprost proporcjonalny do amplitudy generowanego sygnału i odwrotnie proporcjonalny do odległości między mini a elektrodami EEG. 66 Generatorem artefaktów położonym najbliżej mózgu są mięśnie gałki ocznej i powiek. Spodziewać się więc należy, że ruch gałek ocznych będzie powodował zakłócenia o największej amplitudzie a więc zakłócenia najsilniej maskujące obraz fal mózgowych. Artefakty natury biologicznej to również zmiany przewodności sygnału EEG na drodze mózg - elektroda. W takim wypadku dochodzi do modyfikacji amplitudy badanego sygnału. Przyczyną lokalnych zmian przewodności może być na przykład zmiana objętości tętnic w rytm tętna lub wydzielanie łoju na skórze pod elektrodą. 67 Artefakty Mrugnięcia 68 Artefakt wywołany ruchem gałek ocznych w poziomie 69 Elektryczna czynność mięśni Marszczenie czoła 70 Artefakt wywołany napięciem mięśni rąk 71 Artefakt wywołany zaciskaniem zębów 72 Artefakt wywołany ruchem języka 73 Artefakt wywołany żuciem 74 Artefakt wywołany ruchem głowy 75 Redukcja artefaktów Redukcja artefaktów, bądź ich lepsze rozpoznanie: • zadbać o położenie wzmacniacza EEG z dala od innych urządzeń i kabli. Umieścić go na podkładce z tworzywa; • zadbać o komfortową pozycję dla pacjenta; • mierzyć czynność EKG, EMG i elektrookulogram wraz z EEG; • sporządzać notatki na temat zachowania się pacjenta (jeśli mamy możliwość obserwowania go) — kiedy się poruszał, czy ktoś do niego podszedł np. celem poprawienia jakiegoś elementu układu eksperymentalnego. Więcej na: http://brain.fuw.edu.pl/edu/index.php/Pracownia_EEG 76 Lencje Creative Commons Lencje Creative Commons (CC) – zestaw licencji, na mocy których można udostępniać utwory objęte prawami autorskimi. Licencje te są tworzone i utrzymywane przez organizację Creative Commons. Licencje Creative Commons pozwalają twórcom utworów zachować własne prawa i jednocześnie dzielić się swoją twórczością z innymi. Zasada „wszelkie prawa zastrzeżone” zostaje zastąpiona zasadą “pewne prawa zastrzeżone”. Creative Commons - Uznanie autorstwa - Na tych samych warunkach 3.0 Polska - CC BY-SA 3.0 PL.htm https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/pl/ 77 Eliminacja artefaktów: • na drodze zlikwidowania bądź źródła zakłóceń (jeżeli potrafimy dobrze je opisać), • zlikwidowania medium, którym zakłócenia się przedostają, • bądź obróbka zarejestrowanego przebiegu celem odzyskania czystego zapisu EEG. Najprostszą metodą eliminacji zakłóceń jest filtracja pasmowoprzepustowa - wytłumienie wszystkich częstotliwości poza pasmem sygnału użytecznego. Powszechnie stosowany filtr wąskopasmowy wycina z zapisu składową o częstotliwości 50Hz, ale wytłumiony zostaje zarówno sygnał sieci jak i sygnał generowany przez mózg. 78 Eliminacja artefaktów Ułożenie badanej osoby: Badaną osobę umieszcza się na specjalnym fotelu (łóżku), przeznaczonym do rejestracji sygnału EEG. Wiele artefaktów zakłócających pomiar czynności elektrycznych mózgu, to artefakty mięśniowe powstałe na skutek (prawie zawsze nieświadomego) napięcia mięśni, związanego z niekomfortową pozycją. Typowym przykładem takich artefaktów są zakłócenia pochodzące od napięcia mięśni szyi, które starają się utrzymać głowę w pozycji pionowej - głowa powinna być podparta specjalnym zagłówkiem. 79 Konwersja analogowo-cyfrowa (A/C) Na przetwarzanie A/C składają się dwa niezależne procesy: próbkowanie oraz kwantowanie. Jako pierwsze dokonuje się próbkowanie (ang. sampling). Jest to proces dyskretyzacji czasu. Sygnał, który zmieniał się w dowolnej chwili czasu, po próbkowaniu zmieniał się będzie tylko w określonych momentach czasu. Częstotliwość próbkowania wyznacza okres pomiędzy kolejnymi zmianami wartości sygnału Dt, obok rozdzielczości jest to najistotniejszy parametr konwersji A/C. 80 Prawo Nyquista: Sygnał ciągły może zostać prawidłowo próbkowany tylko jeżeli jego najwyższa częstotliwość składowa jest mniejsza od częstotliwości próbkowania. Nieprzestrzeganie tego prawa powoduje przekłamania w postaci nakładania się widm spróbkowanego sygnału tzw. aliasingu nieodwracalne zniekształcenie sygnału w procesie próbkowania 81 Otrzymany sygnał o dyskretnym czasie poddaje się dyskretyzacji jego wartości czyli kwantowaniu. Wartości analogowe zostają przetworzone na wartości dyskretne na podstawie poziomów kwantyzacji. Błąd kwantyzacji jest następstwem metody a nie niedoskonałości urządzenia, jego wartość wynosi jeden poziom kwantyzacji. Czyli wartość rzeczywista sygnału może się różnić nie więcej niż 1/2 odległości pomiędzy kolejnymi poziomami. 82 Błąd kwantyzacji jako różnica wartości rzeczywistej i przyjętego poziomu: 83 Aparaty Jednostanowiskowy stacjonarny aparat EEG DigiTrack simplEEG_42 http://www.elmiko.pl/produkty/aparaty-eeg-digitrack/ Wyposażenie i parametry aparatu: • głowica wzmacniaczy biologicznych (42 kanały) • komputer PC • fotostymulator diodowy sterowany komputerem (dowolna ilość programów Użytkownika) • drukarka laserowa do wydruku wyników badań oraz krzywych EEG • zasilacz awaryjny podtrzymujący działanie systemu w przypadku 84 awarii zasilania z sieci • oprogramowanie systemu EEG DigiTrack realizujące funkcje: zapisu, przeglądania i analizy EEG, w tym m.in. możliwość płynnego przeglądania, zmiany skali przeglądanych fragmentów badań, zmiany filtrów, przeglądania badania podczas rejestracji, analizy widmowej dowolnego fragmentu zapisu, • oprogramowanie Baza Danych Pacjentów umożliwiające rejestrację pacjentów w komputerowej bazie danych, tworzenie opisów badań, eksportowanie badań, prowadzenie archiwizacji i tworzenia statystyk • osprzęt systemu: wózek z filtrem sieciowym, statywy i uchwyty do głowicy EEG oraz fotostymulatora, okablowanie • instrukcja obsługi w języku polskim • czepek EEG, • zestaw elektrod grzybkowych lub miseczkowych (do wyboru) z przewodami. 85 Biofeedback Biofeedback (biologiczne sprzężenie zwrotne) - Biofeedback EEG (ElektroEncefaloGrafia) lub neurofeedback – wykorzystuje właściwość, że mózg ludzki w ramach swojej aktywności wytwarza różne zakresy fal elektromagnetycznych, charakterystycznych dla różnych rodzajów tej aktywności. Np. fale alfa w stanie relaksu w odprężenia, środkowe pasmo fal beta w stanie wytężonego wysiłku umysłowego, fale delta w stanie głębokiego, regenerującego snu. W niektórych dysfunkcjach mózgu występuje zarówno niedobór jak i nadmiar fal o pewnych częstotliwościach, co uniemożliwia pacjentowi wykonywanie pewnych czynności (np. dzieci z ADHD mają problem ze skupieniem się na wykonaniu konkretnego zadania lub kontrolowaniem emocji). 86 Urządzenie do neurofeedbacku to wzmacniacz fal EEG (tzw. głowica) z odpowiednim oprogramowaniem. Elektrody podłączane w różnych miejscach na skórze czaszki i uszach zbierają dane o występowaniu poszczególnych pasm fal, oprogramowanie zamienia te informacje w zrozumiały dla pacjenta obraz. Pacjent ma tak sterować aktywnością swojego mózgu, aby np. widziany na ekranie samochód wyścigowy przyśpieszył. Neurofeedback jest stosowany w terapii dzieci z ADHD (zespół nadpobudliwości psychoruchowej), u ludzi z zaburzeniami procesu uczenia się, po urazach czaszki, wspomaga leczenie padaczki. Jest również polecany osobom zdrowym dla poprawy koncentracji, pamięci, w leczeniu nerwicy natręctw, redukcji stresu i poprawy kreatywności, stosowany również dla zabawy i gry . 87 Aparat EEG DigiTrack Biofeedback Trening EEG Biofeedback pozwala na doskonalenie funkcji poznawczych mózgu i poprawę jego pracy, a tym samym lepsze funkcjonowanie całego organizmu. Jest metodą stosowaną w terapii dzieci z problemami szkolnymi, nadpobudliwych, u osób po urazach mózgu, w terapii niektórych schorzeń psychicznych, a także w celu poprawienia koncentracji lub jako trening relaksacyjny dla osób zdrowych. 88 http://www.elmiko.pl/produkty/eeg-digitrack-biofeedback/ 89 Literatura P. Durka, A. Duszyk, M. Kamiński, R. Kuś, U. Malinowska, I. Mikuła, P. Suffczyński, J. Żygierewicz: „Elektryczny ślad myśli” 90
