Трехмерная локализация очаговой патологии при электроэнцефалографическом исследовании

А.В. Крамаренко

Трехмерная локализация очаговой патологии при электроэнцефалографическом исследовании


Проблема трехмерной локализации появилась в электроэнцефалографии очень давно, буквально сразу после того, как удалось обнаружить локальные изменения ЭЭГ при некоторых заболеваниях. При обследовании пациентов с опухолями мозга (преимущественно конвекситальной локализации) были выявлены очаговые изменения мозговой ритмики в областях, непосредственно примыкающих к месту расположения опухоли. Естественно, что кроме места этих изменений на поверхности головы (двумерной локализации), электрофизиологам и нейрохирургам захотелось узнать глубину залегания опухоли, т.е. получить данные трехмерной локализации, а в идеале и контуры очага. Тем более, что опытные электроэнцефалографисты способны довольно точно оценить глубину расположения и размер очага только по данным ЭЭГ без использования каких либо дополнительных методов ее обработки. И если двумерная локализация приобрела новые возможности после разработки Эдрианом и Мэтьюзом метода картирования, задача трехмерной локализации для очаговой мозговой патологии была решена только после появления рентгеновских компьютерных томографов и систем, основанных на принципах ядерного магнитного резонанса. Любые методы томографии, основанные на результатах ЭЭГ исследования ни в какой мере не могли и не могут соперничать с КТ и ЯМР.

Тем не менее, в случаях функциональных очагов, не имеющих эффективно обнаруживаемого анатомического субстрата (в первую очередь - эпилептогенных), электроэнцефалограмма остается одним из важнейших дополнительных методов исследования. Разумеется, информация о глубине расположения такого (не обнаруживаемого другими методами томографии) очага, не говоря уже о его форме и размере, может быть исключительно полезной как для диагностики, так и для контроля противоэпилептической терапии. А сопоставление данных ЭЭГ с методами анатомической томографии может дать клиницисту новую информацию о характере патологического процесса и результатах лечения. Тем не менее, общепринятых и стандартизованных методов ЭЭГ томографии нет и до настоящего времени, а используемые способы локализации с помощью дипольных моделей представляют собой скорее новую (и вряд ли необходимую) абстракцию.

В известной мере сложившееся положение обусловлено двумя факторами:

•  Томография низкого разрешения (например, на проходящем токе) имеет неустранимые ограничения, и ни один уважающий себя серьезный специалист не будет заниматься этой тематикой вследствие очевидной бесплодности работы. И, кроме того, что существует запрет Гельмгольца на построение карты тока внутри трехмерного проводника, следует учитывать неоднородность тканей и многообразие процесса распространения токов внутри исследуемого объекта (мозговых структур).

•  Сигнал электроэнцефалограммы кроме своей сложности, еще и нестационарен в широком смысле на реализациях, пригодных для анализа. А это означает, что математические методы обработки, применяемые для стационарных процессов, могут быть лишь с некоторым приближением использованы для его анализа. В упрощенном виде вывод может звучать так: всякие полученные результаты анализа ЭЭГ совершенно не обязательно совпадут с результатами, полученными повторно, даже через очень короткий промежуток времени.

В результате до настоящего времени сохраняется парадоксальная ситуация, когда вместо простого и понятного описания проблемы и способов ее решения, публикуются неоправданно усложненные модели с небесспорной математикой.

Предположим, тем не менее, что существует некоторый выбор методов решения данной задачи. И среди множества решений допустимо выделить следующие группы:

•  Введение дополнительных абстракций в виде дипольной модели (предложена Шергом и Леманом), где вместо локализации очага будет проведена локализация элемента модели (в данном случае - диполя).

•  Заведомое понижение теоретически достижимого разрешения при игнорировании анатомических и физиологических особенностей конструкции мозга (томография низкого разрешения)

•  Решение задачи методом « data mining » т.е. нахождения некоторых (не имеет значения каких) закономерностей локализации очагов в зависимости от параметров электроэнцефалограммы.

•  Поиск закономерностей на базе экспериментального материала и априорных данных об особенностях анатомии и функционировании мозговых структур.

В настоящее время широкое распространение получили только работы, выполненные по первому методу (к ним, кстати, и относится в большей степени упрек в неоправданном усложнении проблемы). Более того, поиск диполей (то, что не совсем корректно называют алгоритмом трехмерной локализации) включен в качестве стандартного блока в программы многих компьютерных электроэнцефалографов.

Рассмотрим несколько более подробно каждый из вариантов решения задачи. Дипольная модель (в том числе в многодипольном и динамическом вариантах) использует принцип сведения некоторого распределения сигнала ЭЭГ на конвекситальной поверхности головы к распределению, которое дал бы диполь, помещенный в гомогенную (или многослойную) среду с координатами X , Y , Z . В упрощенном изложении это означает, что в макете головы, выполненном из проводящего вещества, находится диполь с указанными координатами и ориентацией, при этом на поверхности этой модели регистрируется такое же распределение потенциалов, что и на голове обследуемого человека. И на основании сходства этих распределений ( NB !) делается вывод, что и в голове человека находится нечто, с такими же, как и у экспериментального диполя координатами. Отличия мозга от модели, игнорируются тем решительнее, чем более исследователь верит в этот метод. Кроме того, задача локализации диполя в модели решается только итерационным методом, что само по себе предполагает подбор места расположения диполя, проверку полученного распределения и новый подбор до достижения разрешенной ошибки. Вся эта процедура гордо именуется решением обратной задачи ЭЭГ (не больше, не меньше!). Усложненные описания процедуры и косметические ремонты в виде умножения количества диполей, факторного анализа применительно к местам их обнаружения, предобработки сигнала методом слепого разделения компонентов и увеличения количества слоев проводника в модели подаются как последнее слово в науке. Реально получаемые диагностические результаты определяются ограничениями метода, заключающимися в следующем:

•  Электроэнцефалограмма, которая регистрируется на поверхности головы, генерируется только 4-м и 6-м цитоархитектоническими слоями коры головного мозга. Никакой сигнал от срединных, базальных или стволовых структур на поверхность не выходит и не может быть зарегистрирован с помощью конвекситальных электродов (иногда об этом забывают даже электрофизиологи!). С учетом этого факта локализация диполя есть не локализация электрической активности, (некоторые сторонники метода доходят и до таких утверждений), а локализация неизвестно чего (пока этого никто не объяснил). Проще говоря - никакого диполя в голове у человека нет и быть не может, на что указывал еще Уолтер.

•  Любое распределение потенциалов на поверхности головы сводимо к дипольному с некоторой ошибкой, величину которой никто не обосновал. И если ошибка после всех итераций уж слишком велика, предполагают наличие второго диполя, третьего. Естественно, никто не может сказать, сколько диполей должно быть в мозге и чем определяется это количество. Вопрос, - какой диполь за что отвечает, - представляется авторам издевательским и его лучше вообще не задавать.

•  Дипольные модели в 30 процентах случаев дают выход за пределы радиуса цели. Для метода электроэнцефалограммы это означает, что каждый третий анализ будет давать локализацию диполя за пределами головы (!). Этот факт связи с космосом обычно не обсуждается, а некоторые программы просто скрывают полученную локализацию. От греха подальше.

•  Обратная задача в дипольном варианте при некоторых случаях распределения ЭЭГ сигнала не решается вообще. Этот факт должен (если следовать логике метода) означать, что иногда на поверхности головы регистрируется не электроэнцефалограмма, а нечто другое. Хотелось бы знать что?

•  Модель использует в качестве входных данных мгновенные значения электрического потенциала на поверхности головы. Они, однако, непрерывно меняются, разумеется, смещается и диполь. Зачастую он имеет обыкновение гулять по всей голове, и какому из его положений нужно уделить внимание, а какие игнорировать, не всегда понятно. Обычно рекомендуют анализировать только те моменты времени, в которые регистрируется спайк или спайк-волна. В итоге - результат трехмерной локализации полностью зависит от некоторого стохастического выброса и повторение результата в следующие моменты времени является скорее исключением, а не правилом. Эта проблема привела к решению, когда производится многократное определение локализации и то место, где диполь бывает чаще всего, предлагают признавать очагом. Непонятно почему и очагом чего? Места, где чаще всего бывает диполь?

•  Для случаев известной локализации электрической активности, например, альфа ритма, который достоверно генерируется корой затылочных долей мозга, редко когда удается получить требуемую локализацию диполя. Он просто не желает находиться там, где положено. Как в этом случае выходят из положения пользователи метода - непонятно.

Перечисленных возражений (существуют и другие) более чем достаточно для сомнений в адекватности метода анализа ЭЭГ таким способом. И ошибки локализации очагов не удивительны. Понятно и другое: диполь попадает в требуемое место только в том случае, когда генератор находится близко к конвекситальной поверхности и действительно имеет дипольную структуру в данный момент времени. Этот факт в сочетании с уверенностью разработчиков в корректности модели и обусловливает существование и использование (почти исключительно в научных трудах) метода дипольной локализации. Впрочем, если с помощью этой модели начать анализ патологии, которая может быть достоверно верифицирована (опухолей мозга, например), результаты вынудят признать, что метод более пригоден для тех случаев, когда верификация затруднена (чтобы не портить общую картину). Тем не менее, за неимением гербовой - пишут на простой и дипольной модели можно предсказать еще долгую и полную увлекательных модификаций жизнь.

В отношении методов томографии низкого разрешения можно заметить, что проблемы и неустранимые ограничения метода достаточно полно описаны в специальной литературе и анализ их представляется излишним. Следует учитывать также, что для случаев анализа электроэнцефалограммы, метод станет томографией очень низкого (как бы не нулевого!) разрешения, а его ошибка будет полностью определяться степенью нестационарности сигнала (если можно так выразиться).

Решение задачи методом поиска апостериорных закономерностей локализации очага в зависимости от особенностей электроэнцефалограммы (третий метод) безусловно, возможно. В этом случае обученная нейронная сеть будет имитировать (или заменять) деятельность оператора, пытающегося умозрительно описать на основании своего предшествующего опыта характер и локализацию очага. Определить гипотетическую эффективность такого решения невозможно. Она может оказаться и очень высокой. Однако легко оценить вычислительную сложность задачи создания и, в первую очередь, обучения такой нейронной сети. С учетом тех фактов, что невозможно точно определить феномены ЭЭГ, ответственные за возникновение локальных изменений, придется использовать (на начальных этапах) всю имеющуюся в электроэнцефалограмме информацию. При априорно неизвестном способе ее декодирования и принимая во внимание необходимость обработки большого количества клинических случаев патологии, вычислительную сложность задачи можно определить как близкую к бесконечной. Время решения, разумеется, тоже не обрадует проектировщиков. Т.е. при всей теоретической перспективности метода, трудности, которые возникнут при его разработке, могут оказаться запредельными для ограниченного во времени и средствах проекта.

Разумным приближением к оптимальным алгоритмам можно считать использование достоверно установленных закономерностей локальных изменений ЭЭГ (четвертый вариант решения). При этом необходимо не допускать никаких сомнительных гипотез и не вводить не подтвержденные клиническим способом модели функционирования мозга. Базовые принципы анализа необходимо сформулировать очень четко и ясно. Кроме того, необходимо учесть все неустранимые (физически и информационно) ограничения проектируемого метода. Попробуем перечислить некоторые из них.

•  Электроэнцефалограмма изменчива по амплитудным характеристикам внутри популяции. Проще говоря - у каждого человека сигнал ЭЭГ имеет свою, типичную для этого индивида амплитуду, которая, вдобавок, очень существенно меняется с течением времени, под влиянием функциональных нагрузок и других факторов. Т.е. нельзя основывать метод трехмерной локализации на базе превышения уровня медленноволновой активности некоторого порога, например. Допустимо использовать только относительные амплитудные характеристики чего бы то ни было.

•  Электроэнцефалограмма нестационарна по определению. Поэтому обнаружение (или распознавание) любого очага при реализациях конечной длительности может быть произведено только с неединичной вероятностью. В случае реализации нулевой продолжительности (мгновенного временного среза) неопределенность стремится к бесконечности. Этот принцип обычно не учитывается как в исследовательских работах, так и в существующих алгоритмах трехмерной локализации (имеются в виду дипольная и подобные модели). Выбор участка анализируемой электроэнцефалограммы в любом случае необходимо оставить на усмотрение доктора.

•  С учетом того факта, что ЭЭГ регистрирует только электрическую активность корковых структур и, принимая во внимание, что запрет Гельмгольца не разрешает получение карты тока в трехмерном проводнике, параметры функционального очага будут в любом случае описываться в безразмерных единицах, а с учетом изменчивости электроэнцефалограммы - еще и в вероятностных. Проще говоря - никакая ЭЭГ томография не сможет дать других данных, кроме величины вероятности нахождения очага в анализируемой точке, т.е. никакого электрического процесса внутри мозговых структур ни обнаружить, ни измерить не удастся. Характер очага, его физиологические характеристики и т.д., никогда не смогут быть определены проектируемым методом, для решения этой задачи необходимо будет сопоставлять получаемые данные с методами анатомической (КТ, ЯМР) или функциональной (ПЭТ) томографии.

 

следующая страница >>


Новости|О компании|Продукция|Прайс-лист|Контакты|Публикации|Архив|Медицинский центр|Наши партнеры