ЭЭГ. Артефакты и методы борьбы с ними

Авторы: Канал "Электроэнцефалография" на Яндекс.Дзен
Источник: Яндекс.Дзен

На сегодняшний день электроэнцефалография (ЭЭГ) является доступным неинвазивным методом оценки функционального состояния головного мозга человека. Этот метод зарекомендовал себя, как эффективный инструмент диагностики и довольно широко применяется в настоящее время в клинической практике. Тем не менее, ЭЭГ-запись подвержена различного рода артефактам, которые могут существенно усложнить анализ данных, а иногда (при неправильной интерпретации) и исказить диагноз.

Виды артефактов на ЭЭГ

Современные электроэнцефалографы обладают высокой чувствительностью и хорошей помехозащищенностью, что позволяет регистрировать качественную ЭЭГ практически в любых условиях. Однако, регистрация паразитных сигналов или шумов все-таки возможна, так как любой ЭЭГ-комплекс в конечном итоге регистрирует электрическую активность, а электрическая активность мозга гораздо ниже по амплитуде, чем, например, активность сердца, мышц.

Выделяют несколько видов типовых артефактов при регистрации ЭЭГ:

Физиологические артефакты

1. ЭКГ-артефакт. Так как электрическая активность от сокращения сердечной мышцы гораздо выше по амплитуде, чем активность головного мозга, на ЭЭГ нередко можно увидеть выраженные острые пики от QRS-комплексов. Особенно ЭКГ-артефакт проявляется, если один из электродов установлен в непосредственной близости от сосуда. Основная опасность в артефакте ЭКГ состоит в том, что его можно принять за спайк-активность. Поэтому при проведении ЭЭГ-обследований рекомендуется дополнительно регистрировать один канал ЭКГ.
2. ЭОГ-артефакт. Данный вид артефактов, пожалуй, является самым распространенным при регистрации ЭЭГ, особенно в пробе с открытыми глазами. Этот артефакт вызван движением глаз обследуемого и наиболее выражен в лобных отведениях. Иногда этот артефакт можно ошибочно принять за медленно-волновую активность на ЭЭГ. Поэтому при проведении ЭЭГ-обследований рекомендуется регистрировать один-два канала электроокулограммы.
3. ЭМГ-артефакт. Электромиографический артефакт часто регистрируется в затылочных отведениях, когда у обследуемого напряжены мышцы шеи. ЭМГ-артефакт проявляется в выраженной высокочастотной помехе. Чтобы избавиться от данного артефакта рекомендуется использовать для регистрации ЭЭГ кресло с подголовником.
4. Артефакт КГР. Артефакт кожно-гальванической реакции может регистрироваться, когда обследуемый нервничает во время проведения ЭЭГ-обследования. Этот артефакт выражается в медленно-волновой составляющей или так называемой "плавающей" ЭЭГ. Обычно этот артефакт проходит после нескольких минут спокойной записи.

Нефизиологические артефакты

1. Артефакт движения электрода. Иногда во время проведения ЭЭГ-обследования пациенту сложно оставаться в неподвижном состоянии. Естественно, что любое движение приводит к артефакту. Кроме движения пациента электрод также со временем может сдвинуться, спровоцировав тем самым артефакт.
2. Артефакт движения кабеля. При движении головы во время обследования все кабели, соединяющие электроды с блоком усилителя, также совершают движения, наводя артефакт на ЭЭГ. Для минимизации данного вида артефактов все кабели от электродов перед стартом записи рекомендуется собирать в косу.
3. Артефакт от питающей электрической сети. Одним из наиболее значимых нефизиологических артефактов является наводка от питающей сети (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны). Довольно длительное время электроэнцефалографы могли работать только в специализированных экранированных помещениях вдали от электрической проводки и радиоволн. Однако современные ЭЭГ-регистраторы имеют встроенные аппаратные и программные фильтры для эффективного подавления помехи от питающей сети, что позволяет регистрировать ЭЭГ высокого качества в любом неэкранированном помещении даже вблизи от электрической проводки и работающих электрических приборов.

Современные программные пакеты по обработке ЭЭГ содержат различные инструменты по выделению и даже удалению артефактов с ЭЭГ, но тем не менее, врач, проводящий анализ данных, должен хорошо уметь выделять все виды артефактов и четко отделять их от истинной электрической активности головного мозга.

Рисунок 1 –  Виды артефактов на ЭЭГ

Выделение артефактов

Современное программное обеспечение компьютеризированных ЭЭГ-комплексов позволяет в автоматическом режиме выделять артефакты записи и исключать их из анализа ЭЭГ-записи.

Рисунок 2 –  Выделение артефактов записи на ЭЭГ

Разумеется, пользователь может и самостоятельно выделить любой участок записи и пометить его, как артефактный. После этого программа более не будет учитывать его в расчетах.

Удаление артефактов

Артефакт от движения кабелей, например, имеет явные отличия от фоновой ЭЭГ активности, он просто может быть выделен и исключен из анализа. Но иногда недостаточно просто выделить артефакт, исключив его тем самым из анализа. Например, ЭКГ, ЭМГ или ЭОГ артефакты могут регистрироваться на протяжении всей записи. В таком случае требуется удалить артефакт с кривых ЭЭГ. Такая функция доступна в программах по обработке и анализу ЭЭГ, но обычно для ее эффективной работы требуется, чтобы в монтаже регистрации присутствовали каналы ЭКГ, ЭМГ и ЭОГ соответственно.

Рисунок 3 –  Пример ЭЭГ-записи с ярко выраженным ЭКГ-артефактом по всем отведениям на протяжении всей записи

Рисунок 4 –  Это тот же участок записи, но уже после удаления ЭКГ-артефакта. Удаление артефакта стало возможным только благодаря наличию в монтаже регистрации канала ЭКГ

Эпохи анализа

Участки ЭЭГ-записи, свободные от артефактов, используются для анализа ЭЭГ. Чтобы явно указать программе анализа участки ЭЭГ-кривых для расчетов, выделяют так называемые эпохи ЭЭГ. Современные программы могут выделять эпохи анализа самостоятельно в автоматическом режиме.

После того, как эпохи анализа расставлены, программа обработки ЭЭГ производит расчет всех параметров ЭЭГ-сигнала и генерирует протокол обследования.

Рисунок 5 –  Результаты анализа ЭЭГ

Рисунок 6 –  Протокол обследования

Анализ независимых компонент

Одним из современных математических методов удаления артефактов является метод независимых компонент (Independent Component Analysis (ICA)). Этот инструмент позволяет выделить и удалить с кривых ЭЭГ артефакты любого типа. Для эффективной работы данного алгоритма должно быть зарегистрировано достаточное количество ЭЭГ-отведений и артефакт должен по своей форме и структуре отличаться от остальных зарегистрированных сигналов.

В теории, если разместить в одной комнате N чтецов, каждый из которых будет читать свое собственное стихотворение и не менее N микрофонов, каждый из которых будет записывать смесь звуков от всех чтецов, то с помощью метода независимых компонент из совокупности записей с микрофонов можно выделить звуковые дорожки каждого чтеца в отдельности (независимые компоненты). Если перенести эту модель на ЭЭГ, то мы имеем неизвестное количество источников электрической активности в головном мозге (чтецы) и известное количество ЭЭГ-электродов (микрофоны). Если предположить, что количество источников не превышает количество электродов, то мы можем выделить независимый сигнал каждого из источников, в том числе артефактного. Еще одним преимуществом данного метода является возможность выкинуть один или несколько выделенных независимых сигналов и сложить оставшиеся сигналы в исходную смесь, лишенную сигналов выброшенных источников. Таким образом, метод независимых компонентов при некоторых допущениях применим для удаления любых видов артефактов.

Рисунок 7 –  Пример участка ЭЭГ-записи с ЭОГ артефактами

Рисунок 8 –  Результат ICA-декомпозиции ЭЭГ-сигнала на 16 независимых компонентов. Наиболее независимый компонент выделен первым и он содержит артефактный ЭОГ-сигнал (полярность сигнала независимого компонента может отличаться от оригинала)

Исключив выделенный независимый компонент с ЭОГ-артефактом из ICA-композиции, мы получим тот же самый ЭЭГ сигнал, но уже очищенный от артефакта.

Рисунок 9 –  Результат обратной ICA-композиции с исключенным компонентом ЭОГ-артефакта позволяет получить очищенную ЭЭГ-запись

Примечание: Применять данный метод для удаления артефактов, тем не менее, нужно с осторожностью, так как он применим к ЭЭГ только с определенными допущениями и в некоторых случаях при неправильном использовании может привести к искажению исходного ЭЭГ-сигнала.

Активные электроды

Радикальным подходом к регистрации ЭЭГ без артефактов является использование так называемых "активных" ЭЭГ-электродов нового поколения. Современный уровень развития схемотехники позволяет разместить миниатюрный ЭЭГ-усилитель и аналого-цифровой преобразователь непосредственно в корпусе электрода. Таким образом сигнал от электрода идет уже в оцифрованном виде и неподвержен помехам. Таким образом применение "активных" электродов существенно повышает помехоустойчивость ЭЭГ.

Рисунок 10 –  Активные ЭЭГ-электроды

Упростить дифференциацию артефактов и истинно пароксизмальной электрической активности помогает синхронный ЭЭГ-видеомониторинг.

Рисунок 11 –  Просмотр ЭЭГ-кривых синхронно с видеомониторингом

Заключение

Несмотря на наличие различных видов артефактов на ЭЭГ, со многими из них можно эффективно бороться и регистрировать ЭЭГ высокого качества с помощью современных аппаратных и программных решений.