А.В. Крамаренко
ПРИНЦИП ПОДАВЛЕНИЯ ВНЕШНИХ ШУМОВ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ЭЭГ ИССЛЕДОВАНИЙ

Регистрация электроэнцефалограммы в рутинном варианте исследования не представляет собой технически сложной задачи. Однако получаемые результаты далеко не всегда имеют высокую диагностическую ценность. Это связано не только с физиологическими ограничениями метода, но и зачастую с качеством регистрации, которое не только не повышается, но и в ряде случаев вызывает ассоциации в области ненормативной лексики.

Причинами являются не только деградация электроэнцефалографической аппаратуры на Украине (sic!), но и отсутствие обучения персонала при часто встречающемся полном дилетантизме врача.

Действительно, если лет двадцать назад использовались приборы уважаемых фирм - NIHON_KOHDEN, ORION, и т.п., которые комплектовались фирменными электродами и расходными материалами, то теперь используются компьютерные 'самопалы' украинских фирм, прошедшие сертификацию 'по-украински'. Шедевром убожества, если можно так выразиться, является комплектация их самодельными железными электродами, обмотанными тряпочками, которые надо смачивать физиологическим раствором. Понятно, что демпингуя на тендерах, эти фирмы соревнуются в снижении себестоимости и, как следствие, в снижении качества регистрации ЭЭГ. Естественно - делая все более 'навороченные' программы, они пытаются 'забить баки' доктору. При этом подаются то несуществующие методы анализа, то методы удаления артефактов, рожденных, прямо скажем, го..нным электроэнцефалографом. Втереть очки доктору им чаще всего удается, т.к. полноценных курсов по этой специальности не существует уже лет 20. В итоге особенно потрясающие результаты достигаются в коммерческих поликлиниках, где основным требованием к аппаратуре является наличие в ней системы автоматической диагностики.

Но, несмотря на наш национально изолированный дешевый на тендерах отечественный колхоз, технический прогресс в мире продолжается, и качество электроэнцефалографов ведущих мировых лидеров растет. При этом не только доктора, но и некоторые местные разработчики медицинской диагностической аппаратуры убеждены, что таких чистых записей быть не может, и буржуи придумали какой-то фокус, с помощью которого и рисуют такие красивые электроэнцефалограммы, электрокардиограммы и т.д. Вообще, призрак второсортности и провинциальности неявно, но грозно присутствует при любых обсуждениях проблем регистрации электрофизиологических сигналов в нашем отечественно развивающемся сознании. Лучшим доказательством этому тезису будет тот факт, что никто и не думает использовать доморощенные украинские ЭЭГ коробки для диагностики смерти мозга (это не пользователям и пациентам чернуху раскидывать, здесь прокурор недалеко). Или для работы при подключенном аппарате ИВЛ1 (понятно, что прибор ничего кроме помех не выдаст), да и для любой серьезной экспертизы вообще. Но вне зависимости от местного (местечкового!) положения дел, стремиться к улучшению качества регистрации нужно, несмотря даже на то, что не конкуренция и не доктора и не пациенты этого требуют. Чем хуже пользователи, тем лучше должны быть приборы. И если раньше электроэнцефалографией занималась элита, то теперь кроме спящей на ходу Дуни Голопупкиной в качестве медсестры и прописывателя биологических пищевых добавок в качестве доктора никого не будет. Счастливые исключения есть (их совсем немало), но это все-таки исключения.

Теоретически - задача регистрации ЭЭГ представляет собой многоканальную синхронную запись микровольтовых инфранизкочастотных 2 сигналов с типичным внутренним сопротивлением источника сигнала единицы - сотни килоОм. При этом следует учитывать априорное наличие аддитивных3 систематических помех с частотой питающей сети при соотношении 'сигнал/шум' хуже единицы, аддитивного белого гауссовского 4 шума (АБГШ) электродов, постоянную составляющую в виде электрохимического поляризационного потенциала, тренды вследствие изменения осмотического 5 давления электродной жидкости и мультипликативную 6 помеху вследствие изменения электродного сопротивления. Систематические и импульсные радиочастотные помехи следует, видимо, выделить в отдельную группу, как и физиологические артефакты.

Исторически эта задача довольно успешно решалась с помощью дифференциальных усилителей 7 с большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС 8) и высоким входным сопротивлением. Иного решения до последнего времени не было предложено. И даже сейчас, несмотря на весь впечатляющий прогресс электроники, большинство приборов проектируются так же. При этом косметика в виде расширения динамического диапазона 9 или децимации 10 после высокочастотной оцифровки подается как революционный прорыв к сияющим вершинам. Особенно хороши (особенно для психиатра) заявления о получении КОСС более 140 децибел (160дБ 11 - видел лично в одном рекламном проспекте отечественного производителя). Поразительно, но ни в Германии, ни в Штатах, ни в Японии, такой аппаратуры нет, заявленные технические характеристики их приборов катастрофически уступают украинским и непонятно что делают коварные японские специалисты в области промышленного шпионажа.

Впрочем, для понимания процесса развития аппаратуры ЭЭГ исследований, имеет смысл вспомнить ее историю с незабываемыми ламповыми 'Альварами', ностальгия по которым не оставляет уходящую в прошлое старую гвардию.

Итак, примем в качестве аксиомы требование о высоком импедансе и коэффициенте ослабления синфазных сигналов входного усилителя. Парадоксально, но наилучшим образом этому требованию удовлетворяли ламповые схемы, особенно в нувисторном 12 низкошумном варианте. Причина проста (хотя и игнорируется современными разработчиками) - эти каскады сохраняли высокий КОСС до частот, много превышающих рабочие, и имели очень незначительную (почти недостижимую и до сих пор) входную емкость. И, как следствие, прибор успешно фильтровал все ВЧ составляющие внешних помех и физиологических артефактов. А неустранимым недостатком был параметрический тренд, т.е. эти узлы требовали подстройки и не представляли собой ЛИВ 13 систему. Сейчас трудно представить себе электроэнцефалографиста, подстраивающего КОСС(!), он и о работе фильтров прибора имеет самое смутное представление (чем лучше автомобили, тем хуже шоферы:).

Развитие полупроводниковой техники предопределило появление электроэнцефалографов с полевыми транзисторами на входе и симметрируемым на заводе входным усилителем. Несмотря на разработку специализированных микросборок типа КПС 104 эти приборы по всем параметрам (за исключением размеров, массы и энергопотребления) уступали ламповым. Более высокие фликкер-шумы 14, необходимость защиты входов от статических разрядов и невозможность настройки после ремонта и замены элементов сделали эти приборы неконкурентоспособными. Как следствие - начали появляться параметрические входные усилители (ПВУ15), где основное усиление по току обеспечивалось каскадом, собранном на варикапах 16. Высокие характеристики в рабочем диапазоне частот сочетались у них с малой эффективностью подавления ВЧ помех и сложностью схемотехники. Но основной проблемой стала необходимость разноса рабочих частот усилителей каналов электроэнцефалографа. Именно поэтому такие приборы выпускались только в малоканальном варианте.

Первые попытки построения усилителей на интегральных17 ОУ показали, что с внутренними шумами и входным сопротивлением далеко не все в порядке. И, несмотря на специальные методы подавления фликкера (пассивизация18 кристалла нитридом кремния и т.п.), достичь требуемых характеристик удалось сравнительно недавно. Тем не менее, проблема ухода основных параметров по мере приближения частот к граничным осталась даже у ОУ фирм AD, Burr-Brown и др. Именно поэтому проектирование современного электроэнцефалографа несколько отличается по сложности от сборки игрушки из кубиков детского конструктора. Применение хороших комплектующих качества прибора отнюдь не гарантирует (NB!).

Модемные операционные усилители19 в интегральном исполнении оказались пригодными для использования в качестве входных каскадов электроэнцефалографа. Несмотря на весьма скромные заявленные производителем цифры основных параметров (140 УД 13), они обеспечили надежную и стабильную работу без ухода характеристик в течение времени эксплуатации. Выяснились, впрочем, и некоторые особенности. Нельзя, например, применять электроды с поролоновым наполнителем - 'мостики'20 вследствие реакции прибора на периодические изменения активной и реактивной составляющих их полного сопротивления. Причина проста - модемный ОУ обеспечивает накачку ВЧ энергии 'назад' через паразитную21 емкость ключей модулятора22. Этот факт, к сожалению, игнорируется некоторыми украинскими производителями, получившими прибор в 'цельнотянутом' виде. Результаты применения поролоновых мостиков ужасны для пользователя, но прекрасны для продавца - дешево, сердито и ничего не понятно.

Попытка построения модемных усилителей на микросхемах низкой степени интеграции с целью повышения площади канала полевого транзистора и, как следствие, понижения внутренних шумов, показали по результатам наших экспериментов прекрасные результаты в единичных экземплярах и полную непригодность при массовом производстве. Были получены приведенные ко входу междупиковые шумы23 менее 0,35 мкВ при КОСС не менее 115 дБ и дифференциальном входном сопротивлении не менее 20 мОм. Но многоканальный электроэнцефалограф, построенный по этому принципу, требовал невероятно больших трудозатрат на настройку и регулировку.

Из аппаратной экзотики следует отметить коммутационные усилители24, которые по результатам исследования в нашей лаборатории остаются перспективными, хотя и проблематичными (внутренний шум растет пропорционально корню квадратному из количества каналов). Но нельзя исключить, что применением оптимальных схемотехнических решений эту проблему удастся решить, т.е. понизить его до приемлемых величин.

Из убыточных изделий Китежградского завода маготехники (недавно переименованного в одну из украинских фирм), можно отметить схемы с 'летающей' емкостью 25, которые имитируют высокий КОСС с помощью понижения дифференциального входного сопротивления каскада (вследствие постоянной дозарядки емкости компенсируется энергия коммутационной помехи). Именно для этих изделий и были заявлены интересующие психиатра характеристики. По отзывам пользователей - такие приборы никогда и не работали нормально.

В настоящее время развитие ЭЭГ-схемотехники остановилось на операционных усилителях. Практически все современные электроэнцефалографы используют прецизионные26 ОУ в качестве основного масштабного27 усилителя. И с учетом выбора их типов, можно с уверенностью утверждать, что на выходных клеммах ОУ присутствует усиленная ЭЭГ. В связи с этим возникает вопрос - почему большинство отечественных электроэнцефалографов работают плохо и как удается добиться таких проблем при рутинной регистрации?

Объяснение может быть единственным - прибор не проектировался для работы в условиях реальных помех. В связи с этим рассмотрим ситуацию с внешними помехами несколько подробнее.

Важнейшей и максимальной по уровню, несомненно, является помеха с частотой тока питающей сети - 50 Гц. Она обусловлена наводками от питающих проводов, в том числе рамок с током, в которых могут находиться прибор и пациент. Очень упрощенно можно считать величину помехи пропорциональной емкости системы пациент-прибор относительно питающих проводов. При этом следует учитывать, что при заземлении прибора с внутренним энергоснабжением помеха возрастает пропорционально увеличению емкости (емкость земля/сеть всегда больше емкости пациент/сеть). Речь, разумеется, идет только о синфазной составляющей. Ее противофазная (если быть точным - несинфазная) величина обусловлена асимметричностью системы отведений. Естественно - чем более симметрична система отведений, тем меньшая несинфазная составляющая помехи будет поступать на вход электроэнцефалографа. По данным, полученным в нашей лаборатории, для получения КОСС усилителя 80 дБ необходимо симметрирование системы отведений до величины не менее 40 дБ. В противном случае работа вне экранированной камеры станет проблематичной.

Впрочем, для бесконечного динамического диапазона входных усилителей и идеального режекторного фильтра28, этого требования, естественно не существует. Ничего идеального, разумеется, на свете нет, и электроэнцефалограф с бесконечным КОСС и асимметричной системой отведений работать не будет. Даже при очень малых внешних помехах. Вообще, следует учитывать, что асимметричные системы проектировались во времена древние (но разумные и профессиональные) только для условий работы в 'клетке Фарадея'29. Попытку применить их для неэкранированных условий можно с полным правом отнести к области идиотизма разработчика. Вывод для покупателя: если Вам предлагают прибор с любыми аппаратными вычислителями систем отведений - знайте: некоторые из них не будут работать в неэкранированном помещении никогда, даже несмотря на выдающиеся технические характеристики усилителей.

Что же будет происходить с электроэнцефалографом при превышении помехой величины запаса, обусловленного динамическим диапазоном? Ответ очень прост - 'грязная' электроэнцефалограмма будет периодически появляться и затем исчезать, при этом участки 'молчания' будут несколько смещаться друг относительно друга в разных каналах (Рис.1).

Рис.1. Появление участков 'молчания' на ЭЭГ



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