Elektroencefalografia cyfrowa

Transkrypt

1 PRACA POGLĄDOWA ISSN Sen 2004, Tom 4, Nr 2, SEN Elektroencefalografia cyfrowa Digital electroencephalography Tadeusz Pracki, Daria Pracka Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy t Abstract Digital electroencephalography A short history of the electroencephalographic recordings is presented in the introductory part of the paper. The galvanometers, analog and digital electroencephalographs are described shortly. Next, the construction, operating mode and basic properties of digital electroencephalographs are discussed. Also, the major differences between digital and analog systems are considered. The limitations of traditional methods of EEG recording are analyzed with emphasis on problems related to paper-based data storage. Special attention is paid to input amplifiers the most important element for both analog and digital systems. The problems associated with analog-digital conversion are considered including the basic conditions for error-free conversion. Finally, the current condition of electroencephalography is analyzed and future directions considered. Key words: electroencephalography, digital electroencephalography, EEG Adres do korespondencji: Tadeusz Pracki Katedra i Zakład Fizjologii Akademii Medycznej im. L. Rydygiera w Bydgoszczy ul. Karłowicza Bydgoszcz tel.: (0 52) tel. kom faks: (0 52) sen.poradnia@amb. bydgoszcz.pl t Wstęp W 1875 roku Richard Caton, używając galwanometru zwierciadłowego, odkrył czynność bioelektryczną mózgu i dokonał jej pierwszej rejestracji z powierzchni kory mózgowej zwierząt królików i kotów. Istotny wpływ na rozwój elektrofizjologii mieli polscy naukowcy Adolf Beck i Napoleon Nikodem Cybulski, pracujący na przełomie XIX i XX wieku. Jednak za początek elektroencefalografii przyjęto odkrycie dokonane w latach przez niemieckiego psychiatrę Hansa Bergera. Za pomocą galwanometru strunowego jako pierwszy zarejestrował on czynność bioelektryczną mózgu z powierzchni głowy człowieka [1]. W 1932 roku Jan Toennis, współpracujący z Hansem Bergerem, skonstruował 1-kanałowy aparat do rejestracji sygnałów bioelektrycznych odbieranych z powierzchni głowy elektroencefalograf (EEG) [1]. Wielkie zasługi dla rozwoju badań nad czynnością EEG położył Albert Grass. W 1935 roku założył on Grass Instrument Company, rozpoczynając budowę słynnych do dziś elektroencefalografów [1]. Pierwsze aparaty EEG budowane z wykorzystaniem lamp elektronowych miały duże wymiary, były ciężkie i zawodne; pobierały sporo energii, a ponadto bardzo się nagrzewały. Dzięki wynalezieniu w 1948 roku tranzystora nastąpił znaczący postęp w budowie elektroencefalografów. Wzrosła ich niezawodność, zmalały wymiary i znacznie obniżyło się zużycie energii. Poprawiła się także jakość rejestracji. Postęp w technologii elektronowej doprowadził w latach 50. XX wieku do wynalezienia układów scalonych. Ich zastosowanie do konstrukcji elektroencefalografów wpłynęło na dalsze zmniejszenie ich rozmiarów oraz poprawę niezawodności i jakości rejestracji. Bardzo szybki rozwój elektroniki umożliwił w latach 60. połączenie aparatów EEG z komputerami [2]. Dokonał tego Albert Grass, dając początek elektroencefalografii cyfrowej. t Elektroencefalografia analogowa Elektroencefalografy są to urządzenia elektroniczne służące do rejestracji sygnałów bioelektrycznych odbieranych z powierzchni głowy człowieka. Muszą zapewniać rejestrację bardzo słabych napięć elektrycznych Praca częściowo finansowana z BW 76/2003 Akademii Medycznej w Bydgoszczy 71

2 SEN 2004, Tom 4, Nr 2 Rycina 1. Działanie różnicowego wzmacniacza pomiarowego (opis w tekście); U1, U2 napięcia wejściowe odpowiednio na nieodwracającym i odwracającym wejściu wzmacniacza; Uo napięcie wyjściowe; Au wzmocnienie wzmacniacza o wartościach setek, dziesiątek, a nawet pojedynczych mikrowoltów. Do poprawnej rejestracji jest wymagane ustawienie takich samych parametrów wzmacniaczy dla wszystkich rejestrowanych kanałów zarówno wartości wzmocnień, jak i nastaw filtrów. Ponadto, elektroencefalografy muszą umożliwiać niezależny wybór odprowadzeń dla każdego z rejestrowanych kanałów. Najważniejszym układem elektroencefalografu jest wejściowy wzmacniacz różnicowy, od którego głównie zależy jakość rejestracji [3]. Wzmacniacz ten (ryc. 1) przekształca różnicę napięć występującą między dwoma elektrodami (U1 U2) w pojedyncze, wzmocnione napięcie wyjściowe (Uo). W praktyce na wyjściu tego wzmacniacza pojawiają się także zakłócenia występujące jednocześnie z sygnałem mierzonym. Są to głównie zakłócające napięcia sieci energetycznej o częstotliwości 50 Hz. Ciało człowieka jest dla tych napięć anteną elektryczną, poprzez pojemności występujące między nim a siecią elektryczną i ziemią o wartościach od kilkudziesięciu do kilkuset pikofaradów [4]. Zakłócenia te nierzadko przekraczają 1000-krotnie wartość mierzonego sygnału. To właśnie w celu ich eliminacji stosuje się na wejściu wzmacniacze różnicowe. Na rycinie 1 przedstawiono istotę działania wzmacniacza różnicowego. Powinien on wzmacniać jedynie różnicę napięć występujących między jego wejściami, czyli elektrodami pomiarowymi. Przykładowe napięcia pomiarowe U1 i U2, przedstawione na rycinie, występują w fazie i w przeciwfazie względem siebie. Na nie są nałożone takie same napięcia zakłócające (ryc. 1). Jeśli napięcia wejściowe są w fazie, wówczas na wyjściu wzmacniacza uzyskuje się napięcie równe 0, zaś jeśli są w przeciwfazie napięcie wyjściowe Uo = Au (U1 U2) jest to wzmocnione (Au jest wzmocnieniem wzmacniacza) wejściowe napięcie różnicowe [5]. Widać więc, że wejściowe napięcia zakłócające zostały całkowicie stłumione. Jednak ze względu na asymetrię samego wzmacniacza oraz drobne różnice wartości napięć występujących na poszczególnych elektrodach, spowodowane głównie różnicą rezystancji ich styku ze skórą, na jego wyjściu występuje niewielkie napięcie zakłócające, głównie o częstotliwości 50 Hz. Do pomiaru rezystancji między elektrodami a skórą stosuje się omomierze napięcia zmiennego, aby nie powodować polaryzacji komórek [6]. W celu dalszego tłumienia napięć zakłócających stosuje się układy ujemnych sprzężeń zwrotnych (np. driven- -right-leg) oraz filtry pasmowo-zaporowe (notch filters) [1, 4, 6, 7]. Starsze aparaty EEG do poprawnej pracy wymagały dobrego uziemienia i ekranowania pomieszczeń (klatka Faraday a). Nowoczesne elektroencefalografy pozwalają na pomiar nawet w obecności silnych napięć zakłócających. Ze względu na odporność na przesterowania i prawidłowe przenoszenie sygnałów, wzmocnienie wzmacniacza wejściowego jest krotne [1, 4]. Konieczne jest więc zastosowanie dalszych stopni wzmocnienia. Do kształtowania charakterystyki wzmacniacza stosuje się filtry górno- (tzw. stała czasu) i dolnoprzepustowe. Wzmocniony i ukształtowany sygnał jest podawany do układu rejestratora w celu zapisu na papierze za pomocą pisaków, najczęściej atramentowych. Linia zapisu typowego pisaka z piórkiem atramentowym, piszącego bezpośrednio na papierze, jest względnie gruba, przez co zapis jest niedokładny. Stosuje się wprawdzie specjalne atramentowe pisaki dyszowe (ciśnieniowe), niemające kontaktu z papierem, o cienkiej linii zapisu, lecz są one bardzo drogie i bardzo łatwo się zatykają, powodując konieczność ich wymiany. Amplituda zapisanych sygnałów na ogół nie przekracza 20 mm, a zapis odbywa się po łuku, co jest przyczyną znacznych błędów. Można je zmniejszyć, używając specjalnego papieru z nadrukiem po łuku. Papier taki jest jednak stosunkowo drogi, a analiza zapisu tego typu utrudniona i niedokładna. Tradycyjny rejestrator zbudowany z tak zwanych galwanometrów, na osi których jest zamocowany pisak, ma ograniczoną górną częstotliwość przenoszenia sygnałów 72

3 Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa SEN wynoszącą około 200 Hz. Stosując wysokiej klasy, bardzo drogie galwanometry oraz atramentowe, bezstykowe pisaki dyszowe, można uzyskać górną częstotliwość przenoszenia sygnałów około 1000 Hz. Ponadto, rejestrator jako urządzenie elektromechaniczne jest najbardziej zawodnym układem tradycyjnych elektroencefalografów. Pobiera dużo energii, powodując nagrzewanie się elektroencefalografu i niestabilną pracę jego układów elektronicznych. Jest również przyczyną znacznych rozmiarów i ciężaru aparatów EEG. Należy dodać, że istotnym problemem jest także archiwizacja wielkiej liczby danych zapisanych na papierze. t Elektroencefalografia cyfrowa W elektroencefalografii cyfrowej wzmocniony, analogowy sygnał wejściowy z elektrod zostaje przetworzony na postać cyfrową, a następnie filtrowany i zapisywany w pamięci cyfrowej [2, 6]. Analizę można przeprowadzać zarówno wizualnie, na monitorze komputerowym, jak i automatycznie przy użyciu komputera, choć niewykluczony jest zapis na papierze za pomocą drukarki komputerowej czy plotera. Budowę 2 kanałów cyfrowego elektroencefalografu przedstawiono na rycinie 2. Sygnał z elektrod, wzmocniony w poprzednio opisanym wzmacniaczu wejściowym (ryc. 1), poprzez tak zwany filtr antyaliasingowy (wyjaśnienie w dalszej części pracy) jest podawany na wejście multipleksera (MPX) [8, 9]. Multiplekser jest to układ elektroniczny przesyłający sygnał z dowolnego, kolejno wybranego przez układ sterowania, wejścia (kanału) na wyjście. Upraszcza to znacznie budowę i obniża koszty elektroencefalografu, gdyż układy występujące za MPX są wspólne dla wszystkich kanałów. Pracę elektroencefalografu nadzoruje mikrokomputer (sterowanie). Przetwarzanie analogowo-cyfrowe Wzmocniony sygnał jest przesyłany na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Jego zadaniem jest przetwarzanie pobranych próbek wartości ciągłego, wejściowego napięcia analogowego na odpowiadające im wartości cyfrowe, zero-jedynkowe. Odbywa się to najczęściej ze stałą częstotliwością próbkowania (sample frequency), czyli w jednakowych odstępach czasu zwanych okresami próbkowania. Proces ten nazywa się próbkowaniem (pionowe linie przerywane na ryc. 5). Zgodnie z twierdzeniem Shannona-Kotielnikowa [9 12], zwanym też twierdzeniem o próbkowaniu, do poprawnego odtworzenia przetwarzanego sygnału analogowego częstotliwość próbkowania musi być co najmniej 2-krotnie większa od najwyższej częstotliwości występującej w tym sygnale. Inaczej mówiąc, sygnał poddawany próbkowaniu nie może zawierać częstotliwości wyższych niż połowa wartości częstotliwości próbkowania, zwana częstotliwością Nyquista [8, 9]. Do poprawnej rejestracji mierzonych sygnałów, a szczególnie jego składowych wysokoczęstotliwościowych, trzeba więc zastosować niepotrzebnie wysoką częstotliwość próbkowania, co jest zarówno kosztowne, jak i trudne technicznie. Ogranicza się więc górne pasmo częstotliwości sygnału przetwarzanego, co z kolei wy- Rycina 2. Uproszczony schemat blokowy 2 kanałów cyfrowego elektroencefalografu (opis w tekście); MPX multiplekser; A/C przetwornik analogowo-cyfrowy 73

4 SEN 2004, Tom 4, Nr 2 Rycina 3. Zjawisko aliasingu; Oś OX czas; oś OY amplituda; linia cienka sygnał próbkowany; linia gruba aliasing; linie pionowe przerywane próbkowanie sygnału (opis w tekście) maga zastosowania przed przetwornikiem A/C dolnoprzepustowych filtrów antyaliasingowych [8, 13]. Zabezpieczają one przed powstaniem zjawiska aliasingu (nakładania), czyli pojawianiem się w sygnale przetworzonym przebiegów niskoczęstotliwościowych, niewystępujących w mierzonym sygnale. Spowodowane jest to niespełnieniem założeń twierdzenia o próbkowaniu. Na rycinie 3 przedstawiono graficznie istotę aliasingu. Przykładowy sygnał analogowy przetworzono na wartość cyfrową bez spełnienia warunków twierdzenia o próbkowaniu. Częstotliwość sygnału próbkującego (linie pionowe przerywane) jest zaledwie o około 12% mniejsza od wartości minimalnej, wynikającej z powyższego twierdzenia. Po przetworzeniu sygnał ma 10-krotnie zmniejszoną częstotliwość. Występują w nim więc częstotliwości, których nie było w sygnale przetwarzanym. Wyobraźmy sobie, że nieprawidłowo próbkowano sygnał EEG w czuwaniu, zawierający fale alfa o częstotliwości około 10 Hz. Po przetworzeniu otrzymano fale o częstotliwości 1 Hz, które mogą być rozpoznane jako fale delta. Uzyskany, błędny wynik wskazywałby na patologiczny przebieg EEG w czuwaniu. W praktyce do poprawy dokładności odwzorowania przebiegu stosuje się częstotliwość próbkowania 1,5 2 razy wyższą niż wynikałoby to z twierdzenia o próbkowaniu, czyli tak zwane nadpróbkowanie (oversampling) [11, 12]. Na rycinie 4 przedstawiono przebieg EEG (odprowadzenie C3 A2) zarejestrowany w czuwaniu przy różnych częstotliwościach próbkowania od 15 do 480 Hz. Widać wyraźnie, że wraz z obniżeniem częstotliwości próbkowania zostają utracone kolejne wysokoczęstotliwościowe składowe sygnału. Prawidłowe, niezniekształcone odtworzenie sygnału EEG następuje przy częstotliwości Oś OY Rycina 4. Przebieg EEG (C3 A2) zarejestrowany przy różnych częstotliwościach próbkowania: 480, 240, 120, 60, 30, 15 Hz; Oś OX czas; oś OY amplituda; linie pionowe przerywane co 1 s Oś OX 74

5 Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa SEN Rycina 5. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe; Oś OX czas; oś OY amplituda; linia cienka próbkowany sygnał analogowy; linia gruba odtworzony sygnał po przetworzeniu na postać cyfrową; linie pionowe przerywane próbkowanie sygnału; linie poziome przerywane kwantowanie sygnału (opis w tekście) próbkowania 480 Hz. Przebieg próbkowany z częstotliwością 240 Hz jest minimalnie pozbawiony wyższych częstotliwości i wydaje się akceptowalny. Pozostałe przebiegi są zbyt zniekształcone, by mogły służyć do poprawnej analizy EEG. W praktyce do wiernego odtworzenia sygnału EEG przyjmuje się częstotliwość próbkowania powyżej 200 Hz [11]. Sygnał po próbkowaniu jest kwantowany w przetworniku A/C. Proces ten polega na przyporządkowaniu każdej kolejnej cyfrowej próbce sygnału pewnej wartości (poziome linie przerywane na ryc. 5). Dokładność tego procesu zależy przede wszystkim od rozdzielczości przetwornika A/C. Przetworniki stosowane w elektroencefalografii mają rozdzielczość 8 12, a czasem i więcej bitów [6, 9]. Rozdzielczość 8 bitów oznacza, że, mierząc sygnał w typowym zakresie ± 100 mv (zakres bezwzględny 200 mv), dzieli się go na 256 (2 8 ) próbek, czyli mierzy z dokładnością około 0,8 mv. Ponieważ w sygnale EEG rejestrowanym u badanego pacjenta mogą wystąpić patologiczne, wysokoamplitudowe czynności napadowe, fale wolne lub artefakty, w celu ich rozróżnienia musi być możliwa ich rejestracja bez przesterowań. Powoduje to konieczność kilkukrotnego zwiększania zakresu przetwarzania przetwornika. Traci się wówczas na dokładności co najmniej 1 2 bity i taki pomiar wydaje się niedokładny. Z drugiej strony, przy zbyt dużej dokładności przetwornika może dojść do sytuacji, kiedy mierzy się szumy elektroencefalografu, gdyż typowa wartość szumów samego eegrafu wynosi nieco poniżej 1 mv, a do tego dochodzą jeszcze szumy elektrod i kabli. W praktyce wystarczająca rozdzielczość typowego przetwornika A/C wynosi 12 bitów. Umożliwia ona uzyskanie 4096 (2 12 ) próbek na pełen zakres pomiarowy. Na rycinie 5 przedstawiono przykładowy proces przetwarzania analogowo-cyfrowego, prostego, 4-bitowego przetwornika A/C o zakresie ± 8 V (zakres bezwzględny 16 V) i rozdzielczości 1 V. Sygnał próbkowany oznaczono cienką linią. Sygnał po próbowaniu (pionowe linie przerywane) jest poddawany kwantowaniu (poziome linie przerywane) i opisywany wartością napięcia na osi OY. W trakcie kwantowania przyjmuje się taką wartość napięcia sygnału, która dla momentu próbkowania odpowiada wartości bezwzględnej kwantu napięcia, większej od najbliższego progu kwantowania z odpowiednim znakiem. Największej wartości ujemnej sygnału przypisano więc 8 V, natomiast maksymalna wartość dodatnia sygnału przekracza zakres przetwornika wynoszący +8 V (ryc. 5). Jednak w momencie próbkowania (pionowa linia przerywana) wartość ta wynosi między +7 V a +8 V. Próbka przyjmuje więc wartość +7 V. Przebieg cyfrowy, uzyskany po połączeniu wszystkich wartości przetworzonych próbek, oznaczono grubą linią (ryc. 5). Aby poprawić jakość przebiegu, często stosuje się interpolację lub uśrednianie sąsiadujących próbek. Po przetworzeniu sygnał cyfrowy jest filtrowany i analizuje się go już za pomocą komputera. Do filtrowania górno- i dolnoprzepustowego stosuje się najczęściej cyfrowe filtry programowe, zaś w celu przyspieszenia analizy niekiedy używa się ich sprzętowych odpowiedników. Ponieważ filtr antyaliasingowy musi być umieszczony przed przetwornikiem A/C, do jego budowy wykorzystuje się układy elektroniczne. Wielka liczba gromadzonych w komputerze danych nie wydaje się obecnie istotna. Jest ona wprost proporcjonalna do częstotliwości próbkowania sygnału, przy stałej rozdzielczości przetwornika A/C. Przykładowo, rutynowa, 30-minutowa rejestracja 16-kanałowego eegramu, z częstotliwością próbkowania 240 Hz, przy rozdzielczości 12 bitów, zajmuje aż 14 MB, a takich badań wykonuje się w pracowniach EEG nawet kilkanaście dziennie. Wydaje się jednak, że w dobie dysków o pojemnościach dziesiątek i setek gigabajtów oraz nagrywarek CDR i DVD problem ten nie ma znaczenia. Należy wspomnieć o różnicach w sposobie pomiaru EEG w elektroencefalografach analogowych tradycyjnych i cyfrowych. W aparatach tradycyjnych można dokonywać równoczesnego odbioru sygnału EEG z odprowadzeń 1- i 2-biegunowych. W czasie badania można wykonywać remontaże, czyli zmieniać rejestrowane odprowadzenia. Za pomocą elektroencefalografu cyfrowego dokonuje się odbioru sygnału EEG z odprowadzeń 1-biegunowych i takie sygnały są zapisywane w pamięci aparatu. Napięcia EEG z odprowadzeń 2-biegunowych otrzymuje się jako wynik przeliczeń matematycznych, dokonanych programowo przez komputer [1]. Ponadto, w trakcie analizy można zmieniać wzmocnienia, a także 75

6 SEN 2004, Tom 4, Nr 2 nastawy filtrów dla wybranych, interesujących fragmentów zapisu. Pozwala to na ich powiększanie i szczegółową analizę, co nie jest możliwe przy użyciu tradycyjnego elektroencefalografu. t Elektroencefalografia dzisiaj W rutynowych badaniach rejestruje się 16 (czasami 8 przełączanych) odprowadzeń EEG jednocześnie (system 10 20) [1]. Obecnie nierzadko wykorzystuje się 32, 64 czy nawet 128 odprowadzeń jednocześnie (systemy 10- i 5-procentowe), na przykład przy stosowaniu wysokorozdzielczego mapowania mózgu (mapping), tak zwanego LORETA (low resolution brain electromagnetic tomography) [3, 14]. Mogą wówczas występować problemy z zapisem i jednoczesną analizą w czasie rzeczywistym (on-line) tak wielkiej liczby danych. Aby znacznie przyspieszyć obliczenia, stosuje się dodatkowy sprzęt specjalizowane procesory do obróbki sygnału cyfrowego Digital Signal Processor (DSP). Mogą one pełnić funkcję regulowanych filtrów cyfrowych lub modułu szybkiej transformaty Fouriera (FFT, fast Fourier transform). Należy zauważyć, że elektroencefalografista, analizując zapis EEG, bierze pod uwagę zależności amplitudowo- -czasowe w poszczególnych odprowadzeniach oraz między odprowadzeniami. Aby analiza taka była dokładna, elektroencefalograf musi być wykalibrowany. Ponadto, musi posiadać takie same charakterystyki przenoszenia amplitudy i częstotliwości we wszystkich kanałach EEG, czyli praktycznie identyczne wzmacniacze i filtry. W tradycyjnych aparatach jest to bardzo trudne, o ile w ogóle możliwe, zaś znacznie łatwiej to osiągnąć w aparatach cyfrowych. Obecnie kilka firm elektronicznych produkuje specjalizowane układy do pomiaru sygnałów biomedycznych. Światowy potentat elektroniczny, Analog Devices, oferuje na przykład układy scalone do budowy cyfrowych elektroencefalografów, przykładowo AD Taki układ zawiera 4 dokładne 22-bitowe przetworniki A/C, pracujące równolegle, oraz układ programowanych filtrów cyfrowych dla 4 kanałów EEG. Może on współpracować z układami procesorów sygnałowych ADSP 2101 do zbierania, cyfrowej obróbki i analizy danych medycznych. Łącząc ze sobą powyższe układy, można budować wielokanałowe, cyfrowe elektroencefalografy. Urządzenia takie mogą być wręcz miniaturowe i pobierają bardzo mało energii. Ponieważ są to układy cyfrowe, nie występują różnice faz oraz częstotliwości filtrów poszczególnych kanałów, spowodowane niedokładnością elementów, tak charakterystyczne w wypadku realizacji analogowej. Dzięki postępowi technologicznemu możliwe stało się budowanie cyfrowych, wielokanałowych, przenośnych aparatów EEG holter EEG zapisujących dane na przenośnych, miniaturowych dyskach magnetycznych lub na subminiaturowych kartach pamięci, powszechnie dziś stosowanych w cyfrowych aparatach fotograficznych. Zasilane z nowoczesnych, miniaturowych akumulatorków pozwalają na wielogodzinne rejestracje EEG, tak ważne na przykład w diagnozowaniu padaczki czy narkolepsji. Dane zgromadzone w przenośnej pamięci urządzenia są przesyłane do komputera, gdzie po zakończeniu badania są analizowane. Dzięki wyeliminowaniu taśm magnetycznych stosowanych do zapisu danych EEG w tradycyjnych, analogowych holterach oraz ich mechanicznego napędu osiągnięto niespotykany dotychczas poziom ich miniaturyzacji i niezawodności. Zapisane dane można wymieniać między placówkami. Niestety, większość z ośrodków stosuje, jak dotąd, własne formaty zapisu EEG. Od ponad 10 lat trwają próby stworzenia ogólnie akceptowanego formatu wymiany cyfrowych danych medycznych, umożliwiających tworzenie baz danych, w tym baz EEG. Kilka lat temu powstała Europejska Sieć Neurologiczna (ENN, European Neurological Network), pozwalająca na gromadzenie w Internecie danych EEG i ich wymianę w coraz powszechniej akceptowanym Europejskim Formacie Danych (EDF, European Data Format) [15, 16]. t Elektroencefalografia a polisomnografia W badaniach nad snem człowieka wykorzystuje się polisomnografy, będące z technicznego punktu widzenia specjalizowanymi elektroencefalografami [7]. W wielu pracowniach do rejestracji snu stosuje się wysokiej klasy aparaty EEG, w tym aparaty cyfrowe. Od lat do zapisu snu wykorzystuje się holtery analogowe, a w ostatnich latach również cyfrowe. Dzięki ich zaletom możliwa stała się rejestracja polisomnograficzna w naturalnych dla badanego warunkach w jego domu bez potrzeby adaptacji do nowych warunków pracowni badawczej. Holter jest także niezastąpiony w laboratoryjnych badaniach parasomnii, podczas których występują charakterystyczne, nagłe ruchy ciała, szczególnie podczas somnambulizmu, koszmarów sennych czy ruchów kończyn. W czasie stosowania tradycyjnych aparatów EEG często w trakcie nagłych incydentów zostają urwane elektrody i zostaje przerwana rejestracja w tym niezwykle istotnym dla diagnostyki momencie. t Elektroencefalografy przyszłości Wydawać by się mogło, że w dziedzinie budowy nowoczesnych aparatów EEG osiągnięto już wszystko. Jedno jest pewne przyszłość należy do elektroencefalografów cyfrowych. Może będą to subminiaturowe aparaty umieszczane za uchem badanego? A może urządzenia wielkości zegarka, odbierające sygnały przesyłane drogą radiową bez plątaniny kabli z aktywnych elektrod [4] przymocowanych do głowy badanego? Taka miniaturyzacja byłaby szczególnie wskazana przy długoterminowych zapisach całodobowych lub polisomnografii. Czas pokaże

7 Tadeusz Pracki, Daria Pracka, Elektroencefalografia cyfrowa SEN t Streszczenie Elektroencefalografia cyfrowa We wstępie przedstawiono krótki zarys historii pomiarów napięcia bioelektrycznego mózgu, począwszy od galwanometrów, poprzez tradycyjne, analogowe elektroencefalografy, aż po współczesne, cyfrowe aparaty EEG. Następnie omówiono sposób działania, budowę oraz właściwości podstawowych układów elektroencefalografów cyfrowych oraz ich istotne różnice w porównaniu z eegrafami tradycyjnymi. Omówiono wady tradycyjnych elektroencefalografów; szczególną uwagę zwrócono na błędy występujące podczas rejestracji eegramu na papierze. Autorzy poświęcili wiele uwagi najważniejszemu układowi elektroencefalografów zarówno tradycyjnych, jak i cyfrowych wzmacniaczowi wejściowemu, od którego głównie zależy jakość rejestracji EEG. Dokładnie opisano przetwarzanie analogowo-cyfrowe. Omówiono problemy występujące przy przetwarzaniu sygnału analogowego EEG na wartość cyfrową oraz warunki konieczne, by przetwarzanie odbywało się bez błędów i zakłóceń. Na tej podstawie dobrano podstawowe parametry przetworników analogowo-cyfrowych stosowanych w cyfrowej rejestracji EEG. W zakończeniu zaprezentowano obecny stan elektroencefalografii cyfrowej, a także perspektywy jej rozwoju związane z komputeryzacją i miniaturyzacją. Wydaje się pewne, że przyszłość elektroencefalografii należy do nowoczesnych, cyfrowych aparatów EEG. Słowa kluczowe: electroencefalografia, elektroencefalografia cyfrowa, EEG t Piśmiennictwo 1. Niedermeyer E., Lopes da Silva F. Electroencephalography. Basic principle, clinical applications, and related fields. Williams & Wilkins, Baltimore Hord D.J., Johnson L.C., Lubin A., Austin M.T. Resolution and stability in the autospectra of EEG. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1965; 19: Park H.J., Kwon J.S., Youn T., Pae J.S. i wsp. Statistical parametric mapping of LORETA using high density EEG and individual MRI: application to mismatch negativities in schizophrenia. Hum. Brain Mapp. 2002; 17 (3): Metting van Rijn A.C., Peper A., Grimbergen C.A. High quality recording of bioelectric events. I. Interference reduction, theory and practice. Med. Biol. Eng. Comput. 1990; 28: Pracki T., Pracka D. Wzmacniacz napięć bioelektrycznych. Sen 2002; 2, 1: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna Nałęcz M. red. T. 2: Biopomiary. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit, Warszawa Pracki T., Pracka D. Polisomnografia cyfrowa. Sen 2003; 3, 1: Baker B.C. Anti-aliasing, analog filters for data acquisitions systems, AN699. Microchip Technology Inc. 1989; Lyons G.R. Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów. WKŁ, Warszawa Burr-Brown. The handbook of linear IC application. Burr-Brown Corporation, USA 1987; Medical monitoring in the home and work environment. Miles L.E., Broughton R.J. red. Raven Press, New York Ozimek E. Podstawy teoretyczne analizy widmowej sygnałów. PWN, Warszawa-Poznań Burr-Brown. MFB low-pass filter design program. Application bulletin. Burr-Brown Corporation, USA 1992; 33: Oostenveld R., Praamstra P. The five percent electrode system for high-resolution EEG and ERP measurements. J. Clin. Neurophysiol. 2001; 112 (4): Kemp B., Värri A., Rosa A.C., Nielsen K.D. i wsp. A simple format for exchange of digitizet poligrafic recording. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1992; 82: Pracki T., Pracka D. Propozycja standardu zapisu cyfrowego polisomnogramu. W: Polskie Towarzystwo Informatyki Medycznej. Komputery w medycynie, Łódź 1994; T. 2:

8