Вызванные потенциалы головного мозга

Курсовая работа

на тему"Вызванные потенциалы головного мозга"

1999

1. ВВЕДЕНИЕ

За последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно повысился. Практическая медицина становится все более и более автоматизированной.

Сложные современные исследования в медицине немыслимы без применения вычислительной техники. К таким исследованиям можно отнести компьютерную томографию, томографию с использованием явления ядерно-магнитного резонанса, ультрасонографию, исследования с применением изотопов. Количество информации, которое получается при таких исследования так огромно, что без компьютера человек был бы неспособен ее воспринять и обработать.

Широкое применение компьютеры нашли в электроэнцефалографии. Не подлежит сомнению, что с помощью вычислительной техники уже сейчас возможно существенно усовершенствовать методику регистрации, хранения и извлечения ЭЭГ-информации, получить ряд новых данных, недоступных ручным методам анализа, преобразовывать ЭЭГ-данные в визуопространственные топографические образы, открывающие дополнительные возможности локальной диагностики церебральных поражений (3).

В настоящей работе приводится описание программного средства анализа вызванных потенциалов головного мозга. Представленная в дипломной работе программа позволяет проводить компонентный анализ ВП: поиск пиков и межпиковых латентностей. Данный анализ может помочь диагностировать такие заболевания как эпилепсия, рассеянный склероз, выявлять нарушения сенсорной, зрительной и слуховой функций.

Регистрация вызванных потенциалов (ВП) мозга является объективным и неинвазивным методом тестирования функций ЦНС человека. Использование ВП является неоценимым средством для раннего обнаружения и прогноза неврологических расстройств при различных заболеваниях, таких как инсульт, опухоли головного мозга, последствия черепно-мозговой травмы (1).

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из основных методов анализа деятельности мозга является изучение биоэлектрической активности различных структур, сопоставление записей, одновременно отводимых от различных участков мозга, как в случае спонтанной активности этих структур, так и в случае электрических реакций на кратковременные одиночные и ритмические афферентные стимулы. Часто используются также одиночное или ритмическое электрическое раздражение тех или иных образований мозга с записью реакций в других структурах.

Метод вызванные потенциалы (ВП) давно является одним из ведущих в экспериментальной нейрофизиологии; с помощью этого метода получены убедительные данные, раскрывающие сущность ряда важнейших механизмов мозга. Можно с уверенностью считать, что большая часть сведений о функциональной организации нервной системы получены с помощью этого метода. Развитие методов, позволяющих записывать ВП у человека, открывает блестящие перспективы для изучения психических заболеваний.

Регистрация ответов нервов и отдельных нервных волокон на электрические стимулы позволила исследовать основные закономерности возникновения и проведения нервных импульсов в нервных проводниках. Анализ ответов отдельных нейронов и их скоплений на раздражение выявил основные законы возникновения торможения и возбуждения в нервной системе. Метод ВП является главным способом установления наличия функциональных связей периферии с центральными нервными механизмами и исследования межцентральных соотношений в нервной системе. Регистрируя ВП, удалось установить основные закономерности функционирования специфической и неспецифической систем афферентации и их взаимодействия между собой.

Методом ВП изучены характеристики изменения реактивности ЦНС на афферентные стимулы в зависимости от уровня функциональной активности мозга; исследованы закономерности взаимодействия синхронизующих и десинхронизующих систем ствола, таламуса и переднего мозга.

Исследования ВП различных уровней нервной системы являются основным методом тестирования действия фармакологических нейротропных препаратов. С помощью метода ВП успешно изучают в экспериментах процессы высшей нервной деятельности: выработку условных рефлексов, сложные формы обучения, эмоциональные реакции, процессы принятия решения.

Методика ВП прежде всего применима для объективного тестирования сенсорных функций (зрения, слуха, соматической чувствительности), для получения более точных сведений о локализации органических церебральных поражений, для изучения состояния проводящих путей мозга и реактивности различных церебральных систем при патологических процессах.

Наиболее широкое применение в качестве метода оценки состояния сенсорной системы исследование ВП нашло в области изучения нарушений слуховой функции; методика получила название объективной аудиометрии. Преимущества ее очевидны: появляется возможность исследовать слух у детей грудного возраста, у лиц с нарушением сознания и контакта с окружающими, в случаях истерической и симулируемой глухоты. Также, путем регистрации ВП от брюшной стенки матери в области, соответствующей головке плода, можно выявлять степень развития функций слуха у плодов человека.

Достаточно перспективным представляется изучение зрительных ВП (ЗВП), учитывая большое значение оценки состояния зрительных систем в топической диагностике церебральных поражений.

Исследование соматосенсорных ВП (ССВП) позволяет определять состояние сенсорных проводников на всем протяжении от периферии до коры. Поскольку ССВП имеют соматотопику, соответствующую корковым проекциям тела, особый интерес приобретает их исследование при поражении сенсорных систем на уровне головного мозга. Большое практическое значение может иметь исследование ВП с целью дифференциации органических и функциональных (невротических) сенсорных нарушений. Это дает основание использовать методику ССВП в судебной медицине.

Большой интерес представляет исследование ВП при эпилепсии, учитывая большую роль, которую играет афферентная импульсация в патогенезе развития эпилептических припадков. Высокая чувствительность ВП к изменениям функционального состояния мозга под влиянием фармакологических препаратов позволяет использовать их с целью тестирования эффектов лечения при эпилепсии.

Помимо исследования ВП на относительно простые стимулы (короткая вспышка света, звуковой щелчок, короткий импульс электрического тока), в последнее время появился ряд исследований ВП на более сложные виды стимуляции с использованием также более сложных способов выделения и анализа ВП. В частности, достаточно широко исследуются ВП на предъявление зрительных стимулов, представляющих собой изображение. Чаще всего используют изображение синусоидальную модулированной по яркости или контрастной решетки или шахматного рисунка с различными пространственными частотами и мерой контраста. Изображение предъявляют как относительно продолжительным засвечиванием. Кроме того, используют предъявление с помощью синусоидально модулированного во времени по яркости светового потока. Пользуясь этим методом, получают так называемые ВП постоянного состояния. Этот ВП представляет собой колебательный синусоидальный процесс с постоянными частотно-амплитудными характеристиками, находящийся в определенном частотно-амплитудном соотношении с частотой и интенсивностью светового потока, осуществляющего визуальную стимуляцию. Такие потенциалы чаще всего применяют в тестированиях функции зрения, причем в настоящее время исследования не выходят в основном за рамки лабораторных экспериментов.

Существенное практическое значение в клинических исследованиях приобретают ВП на извращения зрительного паттерна (когда черные элементы на экране меняются местами с белыми). Получены данные, показывающие закономерную связь амплитуды и латентных периодов некоторых компонентов этих ВП с размерами шахматного поля и корреляцию с остротой зрения. С точки зрения клинической неврологии наибольший интерес представляют ВП на извращение зрительного паттерна в исследованиях демиелинизирующих заболеваний.

В последние годы были проведен анализ как ВП в норме с точки зрения их связи с различными звеньями афферентных систем, так и исследование изменений ВП при патологии с точки зрения связи этих изменений с общими и частными перестройками возникающими в ЦНС под влиянием патологического процесса.

Исследование ВП находят применение во многих областях клинической практики:

- локальное деструктивные поражения нервной системы:

- поражения периферической нервной системы;

- поражение спинного мозга;

- поражение ствола мозга;

- поражение полушарий мозга;

- поражение таламуса;

- супраталамические поражения;

- нервные болезни:

- эпилепсия;

- опухали ЦНС;

- церебрально-сосудистые нарушения;

- черепно-мозговая травма;

- деминиции;

- метаболические нарушения;

- кома и вегетативное состояние;

- реанимационный мониторинг (6).

Возможности метода ВП позволяют не только обнаружить структурный уровень поражения анализатора, но и количественно оценить характер поражения сенсорной функции человека в различных звеньях анализатора. Особую ценность и уникальность метод регистрации ВП представляет для обнаружения сенсорных нарушений у детей самого раннего возраста. Системы использующие метод ВП используются в нейрологии, нейрохирургии, дефектологии, клинической аудиометрии, психиатрии, судебно-психиатрической, военной и трудовой экспертизе (3).

3. ХАРАКТЕРИСТИКА ВП

Вызванные потенциалы коры, или вызванные ответами, называют градуальные электрические реакции коры на однократное афферентное раздражение какого-либо раздела нервной системы. Амплитуда, которых в норме достигает 15 мкВ – длинолатентные (до 400 мс) и 1мкВ – коротко латентные (до 15 мс) (2).

Если бы ВП были связаны только с одним определенным типом активности нейронов, количественная оценка их была бы сравнительно легкой, так как сама кривая ВП представляла бы отражение этой активности. Однако гораздо более вероятно, что ВП генерируются несколькими типами активности с различными временными и, возможно, пространственными характеристиками. Помимо других данных, об этом свидетельствует сложность волновой конфигурации ВП, представленная наличием множества пиков, появляющихся через различные временные интервалы. В соответствии с этим исследователи говорят о различных компонентах, определяемых на основании латентности и полярности видимых максимумов и минимумов (пиков) на кривой. При количественной оценке важно определить, на каком протяжении будут измеряться избранные компоненты.

На рис.1 показана типичная модель, позволяющая понятькак образуются ВП. Отчетливо виден, (рис.1А) ряд позитивных негативных колебаний, каждое из которых наступает через определенный промежуток времени, но их временные параметры частично совпадают. Таким образом, волны a и в кривой представляют собой негативные колебания, разделенные во времени, а волны б и г- позитивные колебания, перекрывающиеся во времени. На рис. 1Б показана кривая, полученная при суммации волн а, б, в и г. Отчетливо видно, что появляющийся негативный компонент в не отражает истинной негативности кривой. Более того, максимальная активность (компонент б и г) смещена во времени, поэтому максимумы этих компонентов, определяемые на основании их латентности, не являются истинными максимумами. Правильность модели, изображенной на рис.1А, подтверждается косвенными данными (11).

В зависимости от модальности предъявляемых стимулов различают следующие виды ВП:

- зрительные;

- слуховые;

- соматосенсорные;

- тактильные;

- обонятельные;

- вкусовые;

- вестибулярные;

- кинестетические (1).

4. РЕГИСТРАЦИЯ ВП

Успехи экспериментальной и теоретической неврологии в изучении нервной системы с помощью ВП давно привлекали внимание клинической нейрофизиологии, однако на пути стандартного использования этого метода стояли существенные трудности.

При регистрации от интактных покровов головы, как известно, регистрируется “спонтанная” электрическая активность в виде электроэнцефалограммы. Амплитуда ее в норме достигает 100 мкВ, а при патологии 200, 500 и даже 1000 мкВ. На этом фоне ВП, не превышающий в среднем в норме 15 мкВ, простым визуальным анализом выделен быть не может (3).

Основнаясложность регистрации ВП заключается в том, что ответы мозга значительно ниже активности спонтанной ритмики ЭЭГ и других сигналов, но имеют с ними общий спектр. Например, если средний амплитудный уровень ЭЭГ составляет 50 мкВ, то зрительные ВП имеют амплитуду до 10 мкВ, соматосенсорные ВП при стимуляции нервов - около 2 мкВ, некоторые компоненты стволовых ВП - до 0,5 мкВ. Отношение сигнала ВП к спонтанной ЭЭГ для зрительных ВП (ЗВП) составляет 1/5, для соматосенсорных ВП (ССВП) 1/25, а для стволовых компонентов это соотношение может составлять меньше, чем 1/100 (1).

Настоящий прогресс в области изучения ВП у человека был достигнут с применением процедуры усреднения ЭЭГ на электронных вычислительных машинах. В принципе процедура сводится к многократному суммированию участков кривой, следующих за подачей стимула, который является точкой, отсчета времени. При этом “спонтанная” ЭЭГ, имеющая статистический характер, не будет значительно возрастать по амплитуде, тогда как ВП, имеющий относительно стабильные временные и фазовые характеристики, складываясь когерентно, при многократном повторении процедуры будет непрерывно возрастать, так что появляется возможность стабильно выделять сколь угодно малый сигнал из шума спонтанной ЭЭГ.

Исследования с применением усреднения показали, что ВП определенной модальности представляет собой весьма стабильный феномен, четко воспроизводимый у данного индивидуума и хорошо сохраняющий свои формальные и количественные характеристики при повторных исследованиях то послужило основанием для широкого применения метода ВП в психологических исследованиях восприятия, распознавания образов, уровней функциональной активности мозга, поскольку по существу психологи впервые получили в распоряжение объективный параметр, достаточно адекватно отображающий процессы восприятия и преобразования мозгом сенсорной информации (3).

Выделение повторяющегося сигнала, на фоне шума, в случаях когда известны моменты появления самого сигнала или связанного с ним вспомогательного сигнала содержит два аспекта:

1) обнаружение сигнала;

2) выделение сигнала с наименьшей ошибкой.

Сформулируем две основные гипотезы:

1) сигнал повторяется тождественно, т. е. без изменения формы;

2) сигнал жестко связан во времени со стимулятором, т. е. время задержки считается постоянным.

Предполагая, что высказанные гипотезы справедливы, рассмотрим периодический сигнал r(t), содержащий шум b(t). В электроэнцефалографии этим шумом будет электроэнцефалограмма, соответствующая нормальному режиму, а также всегда возможные помехи. На шум b(t) налагается следующие условия. Прежде всего шум является стационарным процессом 2-го порядка, так что его среднее значение m=(1/Т)dt, средняя мощность.

Предположим также, что шум центрирован, т. е. его среднее значение равно нулю, а спектр не содержит постоянной составляющей. В этом случае дисперсия равна средней мощности Р, а называется эффективным значением шума.

Итак, рассмотрим сигнал х(t)=r(t)+b(t). Так как r(t) - периодическая функция с периодом Т₀, то

r(t+kT₀)=r(t)

при любом целом k.

Пусть N - число импульсов стимулятора за некоторый промежуток времени (7).

Учитывая, что автокорреляционная функция шума равна нулю, а b(t)- центрирована было получено, что соотношение сигнал/шум (S/N) будет увеличиваться пропорционально квадратному корню из числа суммированных наблюдений.

(1)

После N суммаций отношение (С/Ш) будет равно исходному отношение (с/ш), умноженному на (1).

Иными словами, преимущество в распознавании сигнала при усреднении относительно больше, если число наблюдений - невелико, например выигрыш в точности при усреднении всего лишь 16 наблюдений уже составляет половину того выигрыша, который мы получаем при усреднении 64 наблюдений. Другое важное преимущество относительно небольшого числа наблюдений состоит в том, что при этом сводится к минимуму возможность изменения состояния мозга в процессе усреднения. Однако есть основание сомневаться в том, что закон квадратного корня полностью приложим к обычным условиям усреднения, поскольку фоновая ЭЭГ редко является действительно случайной. В связи с этим для получения требуемого соотношения S/N необходимо сравнительно небольшое число наблюдений, что если бы вся фоновая активность состояла из случайных несовпадающих элементов, увеличение соотношения S/N соответствовало бы числу наблюдений, а не квадратному корню из этого числа. Практически же увеличение соотношения S/N, возможно, представляет собой среднее между величиной квадратного корня и общим числом наблюдении (11).

В явном или неявном виде на выделяемый сигнал ВП и шумы накладываются следующие ограничения:

1) сигнал ВП синхронизирован с предъявляемым стимулом (событием);

2) сигнал ВП идентичен и повторяем для каждого предъявления стимула или возникающего события;

3) сигнал ВП статистически независим от спонтанной ритмики и других шумов;

4) статистические свойства спонтанной ЭЭГ и других шумов, не связанных со стимулами, постоянны (стационарны), то есть нет тренда, смещения ЭЭГ (среднее равно нулю) и =const.

Несмотря на то, что метод синхронного усреднения - мощный метод и позволяет выделить сигнал практически при любом соотношении уровня сигнал/шум, у него есть ряд недостатков. Самый главный - это необходимость подачи достаточно большого числа стимулов, что во многих случаях представляется не физиологичной процедурой из-за наличия привыкания и других связанных процессов в ЦНС. Кроме того, есть стимулы, которые по своей природе не могут подаваться многократно. Например, болевые, обонятельные и вкусовые стимулы. В связи с этим, делались и делаются попытки выделять ВП на одиночные стимулы. Одним из таких подходов является метод взаимной корреляции и оптимальной фильтрации. Недостаток этих методов состоит в том, что они для своего выделения требуют наличия некоторого шаблона - известного сигнала ВП (1).

Величина колебаний электрических потенциалов, продуцируемых мозгом, очень мала. Они имеют амплитуду от нескольких микровольт до нескольких сот микровольт (обычно в пределах 500 мкВ). Поэтому, для того чтобы они могли быть записаны, их необходимо предварительно усилить, и только тогда электрические колебания мозга смогут привести в действие то или иное регистрирующее устройство. Типичная система регистрации представлена на рис.2.

Система, состоящая из двух отводящих электродов, блока усиления и блока записывающего устройства, называется каналом регистрации. В современных установках при электроэнцефалографических исследованиях используется сразу большое количество каналов, что позволяет лучше оценить изучаемый процесс. Обязательным элементом установки являются раздражающие устройства, которые должны быть надлежащим образом согласованы с регистрирующей системой (подача отметок, ликвидация помех и т. п.).