АНАЛИЗ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕТОДОМ ВЫЧИСЛЕНИЯ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ

А.В. Крамаренко

 



АНАЛИЗ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ МЕТОДОМ ВЫЧИСЛЕНИЯ МГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ
страница 1 из 4

Традиционные методы обработки любых длиннолатентных вызванных потенциалов представляют собой разметку и определение положения позитивных и негативных пиков, картирование, спектральный, корреляционный анализ и некоторые дополнительные виды оценки сигнала ВП. Все они по определению требуют незашумленных , т.е. «чистых» исходных данных. В действительности же коэффициент сигнал/шум в любом зарегистрированном ВП достаточно мал и определяется соотношением уровней фоновой ритмики и собственного отклика мозговых структур на стимул, а также корнем квадратным из числа усреднений.

В клинике и в большинстве научных исследований сигнал вызванных потенциалов чаще всего анализируется без учета шумового вклада фоновой электроэнцефалограммы. При этом исследователи по умолчанию еще и принимают на веру утверждение о значительной изменчивости ВП как внутри популяции, так и у одного и того же испытуемого в различные моменты времени или при различных условиях регистрации.

Приведем упрощенный расчет соотношения сигнал/шум для типичного случая регистрации длиннолатентных ВП. Допустим, уровень фоновой электроэнцефалограммы в процессе регистрации составлял 25 мкВ от пика до пика. Уровень истинного отклика мозговых структур предположим в пределах 5 мкВ от пика до пика. Введем общепринятое допущение о полном отсутствии корреляции между двумя процессами и рассчитаем вклад фоновой ЭЭГ в зарегистрированный вызванный потенциал. Предельно упрощая и исключая специальные термины, можно сказать, что уровень электроэнцефалограммы будет уменьшаться пропорционально корню квадратному из количества поданных стимулов. Т.е. если, допустим, было подано 100 вспышек при регистрации зрительного ВП, то уровень шума в полученной смеси будет равен 25/√100=2.5мкВ от пика до пика. При предполагаемом уровне ВП равном 5 мкВ, соотношение сигнал шум в данном эксперименте будет равно 2:1, т.е. уровень помехи будет равен половине уровня истинного ВП. При подаче 400 стимулов отношение улучшится до 4:1 и т.д., но в любом случае в зарегистрированном вызванном потенциале всегда есть значительный вклад компонентов, которые не имеют никакого отношения к истинному отклику мозговых структур. Все эти расчеты подробно описаны в специальной литературе. При практической работе всегда можно с уверенностью утверждать, что не менее 10% «шумового» вклада в анализируемый вызванный потенциал обеспечивает фоновая ритмика мозга.

В то же время существующие методы анализа ВП требуют нахождения с высокой точностью вершин позитивных и негативных пиков и точное определение их временных и амплитудных показателей. На основании полученных данных и делается заключение. При этом, повторим, погрешность, обусловленная вкладом фоновой ритмики в подавляющем большинстве случаев никак не учитывается. Для случая здорового испытуемого это не так важно, потому, что фоновая электроэнцефалограмма примерно идентична в обоих полушариях. Зарегистрированные ВП будут искажены, но искажены идентично справа и слева. И только при повторной записи того же испытуемого исследователь обнаружит, что форма вызванных потенциалов изменилась, но тоже идентично справа и слева. Учитывая общепринятое мнение о существенной изменчивости формы ВП, обнаруженный феномен именно так и будет оценен. Однако при записи пациента с локальной патологией или выраженной межполушарной асимметрией вклад фоновой ритмики существенно снизит ценность и точность исследования, чего не заметит исследователь.

Описанные сложности разделения истинного отклика мозговых структур на поданный стимул и шума, обусловленного фоновой ЭЭГ, определяются самим способом регистрации ВП, т.е. корреляционным приемом. И хотя такой метод регистрации теоретически позволяет получить любое сколь угодно хорошее разделение, в действительности все ограничивается предельным числом поданных стимулов, которое не сможет быть бесконечным и не может превысить величину, при которой начинается существенное уменьшение отклика мозговых структур на подаваемые стимулы. В практическом плане это означает, что получить «чистые» ВП при реальной экспериментальной работе невозможно.

Применение экзотических способов ( ICA и др.) дополнительного разделения компонентов следует считать не вышедшими из стадии экспериментов и весьма опасными в смысле дезинформации исследователя (если выдвинутой авторами метода модель не соответствует внутренней блок-схеме мозговых структур). Что касается общепринятого метода оценки качества регистрации ВП методом вычисления корреляции между группами четных и нечетных усреднений, то следует учитывать, что величина, описывающая полученное качество регистрации является верхним теоретически возможным пределом. Реальное соотношение сигнал/шум хуже, что обусловлено коррелированными со стимулами компонентами ЭЭГ и другими, в том числе и статистическими особенностями электроэнцефалограммы.

Учитывая специфику анализа вызванных потенциалов - необходимость довольно точного измерения степени задержки распространения импульсов (в том числе и локальной) и требование обнаружения изменений амплитуды (в том числе и локальных), можно утверждать, что наличие шума в сигнале ВП существенно затрудняет работу и снижает точность метода. Кроме того, от шума страдает и интерпретация «врачебного» уровня т.к. некоторые пики могут быть смещены, искажены или даже вообще не обнаруживаться. В связи с этим несомненно, что любой способ, который может помочь повысить точность «разметки» сигнала ВП может быть чрезвычайно полезным не только в научной, но и клинической практике.

Очевидно также (доказательства опускаются), что никакой математический метод, не использующий априорных допущений или искусственных моделей, не может быть применен для улучшения соотношения сигнал/шум вызванных потенциалов. Действительно - отфильтровать шум невозможно т.к. он находится в той же частотной полосе, что и полезный сигнал, временное разделение после корреляционного приема невозможно в принципе, а вводить умозрительную модель недопустимо до тех пор, пока мы не будем знать алгоритма функционирования мозга хотя бы в области генерации ЭЭГ и ВП. В итоге остается единственная возможность - пространственная фильтрация, использующая многоканальную регистрацию сигналов.

Следует сразу оговориться, что линейное суммирование сигналов ВП от разных участков коры бессмысленно вследствие фазового несовпадения их компонентов, амплитудных различий и особенностей системы отведений (биполярной, униполярной и т.п.). Кроме того, получаемый сигнал будет иметь весьма неопределенный физический смысл. Более того, он будет вариабельным и уникальным для каждой записи каждого пациента, а для некоторых систем отведений - вырождаться в изолинию.

В связи с этим предлагается использовать суммарную мгновенную мощность вызванных потенциалов, зарегистрированных одновременно во всех отведениях. Такой параметр будет иметь вполне определенный физический смысл - это мгновенная электрическая мощность, генерируемая всеми нейронами, которые в данный момент заняты обработкой информации, полученной от внешнего стимула.

На Рис.1 представлены результаты такой обработки. Для стандартных длиннолатентных ЗВП (100 стимулов) вычислена мгновенная мощность, график которой представлен в правой части рисунка. Отдельно произведено вычисление для правого и левого полушария раздельно - графики внизу.

Длиннолатентные ЗВП и графики их мгновенной мощности
Рис.1 Длиннолатентные ЗВП и графики их мгновенной мощности.

Обратим внимание, что графики получились весьма информативными: в момент стимула мощность близка к нулю, отчетливо видны ранние компоненты, основной отклик, поздний колебательный процесс и затухание вызванного потенциала. Наглядно представляются асимметрии - ранние компоненты более выражены в левополушарных областях, а основной отклик имеет преимущественно правостороннюю локализацию.

Если оценивать график мощности по критерию улучшения коэффициента сигнал/шум, то необходимо учитывать, что этот сигнал имеет выигрыш перед стандартным представлением ВП в количество раз, равное корню квадратному из числа каналов записи (в действительности больше, что связано с фазовыми смещениями электроэнцефалограммы в различных отведениях). В представленном случае - не менее чем в четыре раза, т.к. использовался 16-канальный электроэнцефалограф. Разумеется, четырехкратное улучшение отношения сигнал/шум может дать принципиально новое качество точности оценки временных параметров ВП, а также обнаружения и распознавания анализируемых пиков.

Следует отметить, что график мощности нормирован, т.е. максимальное зарегистрированное значение принято за 100 процентов, а остальные выражены в долях от него. Физический смысл такой нормировки очевиден: если считать, что в момент наибольшей мощности активно максимальное для обработки мозгом подаваемого зрительного стимула количество нейронов, то в остальные моменты времени можно узнать процентное соотношение числа активных нейронов.

Очевидно также, что сопоставление графика мощности с вызванным потенциалом, зарегистрированном в любом отведении, может обеспечить достоверную временную «привязку» при определении пиков, интересующих исследователя.

 

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