آشنایی با دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی

تحقیق درباره فعالیت الکتریکی مغز موضوع مورد توجه دانشمندان و محققان در بسیاری از کشورها بوده است. امروزه با کاربرد و اهمیتی که سیگنال دستگاه الکتروانسفالوگرام در تشخیص بیماری‌ها دارد بحث درباره اینکه آیا مغز فعالیت الکتریکی دارد یا خیر، موضوع بسیار پیش‌پا افتاده‌ای است ولی در حدود یک قرن پیش دانشمندان زیادی با استفاده از دستگاه‌های ساده نظیر گالوانومتر در تلاش برای پی بردن به این مطلب بوده‌اند. مطالعه این تلاش‌ها حاوی نکات جالبی خواهد بود که به آن پرداخته خواهد شد.

دستگاه eeg چیست؟

دستگاه الکتروانسفالوگرافی یا دستگاه EEG یک تجهیزات پزشکی است که برای ثبت فعالیت الکتریکی مغز استفاده می شود، این تکنیک شامل اخذ سیگنال توسط الکترودهای سطحی، بهبود سیگنال (معمولاً تقویت و حذف نویز)، چاپ سیگنال و آنالیز آن می‌شود. آنچه روی کاغذ چاپ می‌شود، الکتروانسفالوگرام نامیده می‌شود.

نوار مغزی یا الکتروانسفالوگرافی(EEG)

مطالعه روی منشأ سیگنال دستگاه EEG و نحوه تولید آن در کاربرد این سیگنال تأثیر زیادی دارد. دانستن عوامل مؤثر در تولید سیگنال می‌تواند راه گشای مناسبی برای استفاده از آن در تشخیص میزان سلامت عملکرد مغز باشد، بر خلاف سیگنال ECG که دارای شکلی بسیار معروف و قابل‌تشخیص است. سیگنال EEG دارای ریتم‌های مختلف است که وابسته به شرایط حسی و حرکتی گوناگون می‌باشند. تشخیص هر ریتم این سیگنال احتیاج به تجربه و مهارت زیادی دارد. امواج و ریتم‌های سیگنال EEG در نقاط و محل‌های خاصی از سر و در شرایط بخصوصی ظاهر می‌شود. بنابراین قرار گرفتن الکترودها بر روی سر استاندارد شده است.

نتایج حاصل از مغزنگاره (انسفالوگرام) را نمی‌توان به صورت مستقیم و تنها با مشاهده سیگنال مورد بررسی و تفسیر قرار داد و از روی آن ناهنجاری را تشخیص داد. معمولاً طیف فرکانسی این سیگنال حاوی اطلاعات مفیدی است که کاربردهای تشخیصی و تحقیقاتی از جمله موارد زیر دارد:

۱- کمک به تشخیص و تعیین محل آسیب مغزی سربرال
۲- کمک به مطالعه صرع (حملات گذرای برگشت‌پذیر عمل مغز دچار مشکل با حس نامنظم و فعالیت حرکتی نظیر تشنج)
۳- کمک به تشخیص اختلالات روانی
۴- کمک به مطالعه خواب
۵- اجازه مشاهده و آنالیز پاسخ‌های مغز به محرک‌های سنسوری

امروزه با كاربرد و اهميتي كه سيگنال الكتروانسفالوگرام در تشخيص بيماري ها دارد بحث درباره اينكه آيا مغز فعاليت الكتريكي دارد يا خير، موضوع بسيار پيش پا افتاده اي است ولي در حدود يك قرن پيش دانشمندان زيادي با استفاده از دستگاهاي ساده نظير گالوانومتر در تلاش براي پي بردن به اين مطلب بوده اند.

بر خلاف سيگنال ECG (نوار قلب) كه داراي  شكلي بسيار معروف و قابل تشخيص است. سيگنال دستگاه EEG داراي ريتم های مختلف است كه وابسته به شرايط حسي و حركتي گوناگون مي باشند. تشخيص هر ريتم اين سيگنال احتياج به  تجربه و مهارت زيادي دارد. امواج و ريتمهاي سيگنال EEG در نقاط و محلهاي خاصي از سر و در شرايط بخصوصي ظاهر می شود. بنابراين قرار گرفتن الكترودها بر روي سر استاندارد شده است.

اجزای دستگاه EEG

• الکترودها: الکتروها قطعات کوچکی هستند که روی پوست سر قرار می گیرند و فعالیت مغز را ثبت می کنند
• هد EEG: یک کلاه یا نوار است که الکترود ها را روی پوست سر نگه می دارد که معمولا از جنس پلاستیک یا فلز است.
• آمپلی فایر: سیگنال های الکتریکی را از الکترودها تقویت می کند تا قابل اندازه گیری باشند.
• ثبت کننده: سیگنال های الکتریکی تقویت شده را ضبط می کند.

تاریخچه دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی

نخستین بار Caton در سال 1875 سیگنال EEG را با کمک الکترودهای داخلی از سطح کورتکس مغز ثبت نمود. اما نخستین کسی که سیگنال EEG را با کمک الکترودهای سطحی از سطح جمجمه ثبت نمود هانس برگر نام داشت که در سال 1929 ثبت این سیگنال و تغییرات آن در موقع خواب و برخی بیماری‌ها نظیر صرع را به جامعه عملی گزارش داد پس از آن تصاویر Brain ،toposcope که از سیگنال EEG به‌دست می‌آیند توسط دانشمندان دیگر توصیف شدند.

شاید سیگنال دستگاه EEG را بتوان تنها دادهای دانست که از وضعیت مغز و فعالیت آن به‌طور لحظه‌ای و مستقیم (Online) خبر می‌دهد برای مقایسه تصاویر دو بعدی و سه بعدی مغز (CT, MRI,..) را در نظر بگیرید که همگی اطلاعات offline در اختیار پزشکان و محققان قرار می‌دهند. با توجه به خصوصیات ویژه این سیگنال حیاتی تحقیقات زیادی انجام پذیرفته است که در موارد متعددی به کاربرد های بالینی منتج شده‌اند.

منشأ سیگنال

اکثر امواج و فعالیت‌های الکتریکی که در یک نوار مغزی ثبت می‌شود از لایه فوقانی کرتکس بخصوص شاخه‌های دندریتی سلول‌های هرمی و شاید نرون های ارتباطی موجود در این ناحیه سرچشمه می‌گیرند. این امواج بیانگر مجموعه‌ای از پتانسیل های متغیر پشت گرهی تهییجی ازیک‌طرف و پتانسیل های پشت گرهی بازدارنده از طرف دیگر است و به پتانسیل های عمل ارتباطی ندارند.

ریتم های EEG انسان بالغ در حالت بیداری

در سیگنال EEG مؤلفه‌هایی با فرکانس های بسیار کم و بسیار زیاد دیده می‌شود که از نظر بالینی اهمیتی ندارند (مگر در شرایط خاص). به همین دلیل نوار برداری عادی، محدوده کمتری از فرکانس ها در نظر گرفته می‌شود که از نظر فیزیولوژی اعصاب و روان دارای بیشترین اهمیت می‌باشد.

این محدوده بین 1/0 تا 100 هرتز و در حالت محدودتر بین 3/0 تا 70 هرتز می‌باشد. در یک فرد طبیعی بالغ بیدار محدوده فرکانس های پایین (3/0 تا 7) هرتز و فرکانس ها بالا (بالای 30 هرتز) به‌ندرت دیده می‌شود. امواج غالب این افراد فرکانس های متوسط بین 8 تا 13 هرتز و فرکانس های بین 14 تا 30 هرتز است. این ریتم‌ها در باندهای فرکانسی زیر دسته‌بندی می‌شود:

امواج دلتا : زير 3.5 هرتز 

امواج تتا : بين 4 تا 8 هرتز

امواج آلفا : بين 8 تا 13 هرتز

 امواج بتا : بالاي 13 هرتز

دامنه سیگنال EEG ثبت‌شده از روی پوست به‌طور معمول بین 10 تا 100 میکرو ولت است و بندرت از 50 میکرو ولت بیشتر می‌شود. سیگنال‌هایی که از داخل کرتکس ثبت‌شده‌اند دارای دامنه‌ای بین 500 تا 1500 میکرو ولت است. این نشان می‌دهد که عبور فعالیت های اصلی کرتکس از لایه‌های چرب، پوست، استخوان، مایع نخاعی و … سیگنال اصلی را فیلتر نموده و به‌شدت تضعیف می‌کند.

امواج دلتا:

این امواج دارای فرکانس کمتر از 5/3 هرتز می‌باشند و گاهی نیز به 33/0 هرتز می‌رسند. امواج دلتا بیانگر عمق بیشتر خواب است و در بیماری های افسردگی عمیق و نیز کودکان و موارد خواص دیگر مشاهده می‌شود و دارای ریتم آهسته‌ای است. با توجه به مباحث گفته‌شده می‌توان گفت که یک رابطه عمومی بین درجه فعالیت مغزی و فرکانس متوسط امواج دستگاه الکتروانسفالوگرام وجود دارد به این معنی که فرکانس متوسط امواج به‌تدریج با زیادشدن درجه فعالیت مغز افزایش می‌یابد.

طبق شکل می‌بینیم که بروز امواج دلتا در حالت بهت، بیهوشی جراحی و خواب، بروز امواج تتا در شیرخواران بروز امواج آلفا در حالت استراحت و بروز امواج بتا در فعالیت شدید دماغی روی می‌دهد.

امواج تتا:

لفظ تتا به محدوده فرکانسی 4 تا 8 هرتز اطلاق می‌شود و ازاین‌جهت نام این امواج تتا برگزیده شد که در سابق برای آن منشأ تالامیک قائل بودند. EEG افراد طبیعی بالغ شامل مقدار کمی فرکانس های تتا است اما هیچ ریتم تتای منظمی در آن دیده نمی‌شود درحالی‌که فرکانس ها و ریتم های تتا، نقش عمده‌ای را در دوران نوزادی و کودکی و همچنین در حالات خواب‌آلودگی و خواب ایفا می‌کند.

امواج آلفا:

این موج با فرکانس 8 تا 13 هرتز و در زمان بیداری در ناحیه پس سری و با دامنه بیشتر در ناحیه اکسپیتال وجود دارد. در اکثر افراد بالغ دامنه آن زیر 50 میکرو ولت است. با چشمان بسته و در شرایط استراحت و عدم تمرکز بهتر دیده می‌شود. و با تمرکز و دقت (به‌ویژه تمرکز بینایی) و در هنگام تفکر و فعالیت ذهنی قطع و یا دامنه آن تضعیف می‌شود. عدم حساسیت ریتم آلفا به تحریکات بینایی بسیار نادر است و یک پدیده غیرطبیعی محسوب می‌شود. با باز کردن چشم ها امواج آلفا قطع می‌شود و بلافاصله پس از بستن آن امواج آلفا با حد اکثر دامنه ظاهر می‌گردد.

شکل امواج آلفا به‌صورت یک موج سینوسی 8 تا 13 هرتز است که با یک موج فرکانسی پایین تر مدوله شده است. دامنه این موج در نیم‌کره راست بیشتر از نیم‌کره چپ است.

امواج بتا:

امواج بتا در دستگاه EEG به محدوده فرکانسی بالای 13 هرتز اطلاق می‌شود. در نوار برداری های رایج به دلیل وجود فیلتر، فرکانس های بالای 70 هرتز به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تضعیف می‌شوند و این خودبه‌خود حد بالایی را برای امواج بتا، بین 50 تا 100 هرتز اعمال می‌کند. فعالیت ریتمیک بتا بیشتر در ناحیه فرونتال و سنترال دیده می‌شود و فرکانس آن به‌طورمعمول از 30 هرتز بیشتر نیست.

ریتم بتای سنترال با ریتم میوی رولاندیک ارتباط نزدیکی دارد و در اثر فعالیت اعضای حرکتی یا تحریکات لمسی محو می‌شوند. دامنه فعالیت های بتا به‌ندرت از 30 میکرو ولت تجاوز می‌کند. امواج بتا در اکثر افراد بالغ سالم دیده می‌شود و بیشتر در مواقع فعالیت ذهنی و حالت هوشیاری دیده می‌شود. اما در جریان فعال شدن سیستم عصبی مرکزی و یا فشارهای روانی نیز دیده می‌شود.

پیشنهاد سردبیر: بعد از مطالعه این مقاله برای تکمیل اطلاعاتتون به مقاله “دستگاه اتوآنالایزر بیوشیمی” هم سربزنید.

الکترود ها

الـکترودهای سـطح سـری که معمولاً به‌کار گـرفته می‌شود از صفحـات Ag-AgCl (نقره- کلرید نقره) با قطر 1 تا 3 میلی‌متر با یک سیم رابط بلند و انعطاف‌پذیر تشکیل‌شده‌اند که می‌تواند به یک تقویت‌کننده وصل شود. در ثبت معمول EEG بالینی الکترودهای ورودی مشکل زا هستند آنها باید کوچک باشند. همچنین باید به‌آسانی و با حد اقل اغتشاش از روی موها بر روی جمجمه ثابت شوند.

در ضمن باید سبب ناراحتی نشوند و برای زمان طولانی در جای خود باقی بمانند. روی قسمت نقره‌ای الکترود ها تکه‌ای پارچه از جنس کتان که توسط حلقه‌های کشی روی الکترود نگه‌داشته می‌شود پوشانده می‌شود. برای ایجاد ارتباط الکتریکی مناسب بین الکترود و پوست این الکترود ها را از قبل در محلول سالین نگه می‌دارند تا این محلول توسط کتان جذب شود.

می‌توان از الکترود های سوزنی نیز استفاده کرد ولی به دلیل دردناک بودن و امکان عفونت در انسان استفاده نمی‌شود. در ضمن گاهی اوقات نیز پوست را می‌خراشند اما به دلیل سوزش و عفونت کمتر این کار را انجام می‌دهند. برای استفاده از الکترودهای سطحی باید سطح پوست به‌خوبی تمیز شود تا حداقل امپدانس اتصال به‌دست آید. تکنسین ها سطح جمجمه را برای این کار آماده می‌کنند.

چربی سطح محل ثبت را با الکل پاک می‌کنند و یک ژل هدایت‌کننده استفاده می‌نمایند. سپس الکترودهای غیر پلاریزه Ag-AgCl را می‌چسبانند یا با تسمه‌های لاستیکی نگه می‌دارند. مطلوب آن است در محل اتصال الکترود پوست امپدانس کمتر از 10 k داشته باشیم. چون نصب همه الکترود ها و ثابت کردن آن ها از نظر مکانیکی مشکل است از چسب رسانای الکترود (collodion) استفاده می‌کنند که کمک می‌کند تا به امپدانس پایین‌دست یابیم و الکترود ها را در مکان خود نگه می‌دارد.

الکترود ها بر روی سطح خارجی جمجمه به یک جعبه هد EEG وصل هستند این جعبه یک پانل مجزا است که شامل یک تقویت‌کننده اولیه هم هست و در نزدیک سر بیمار قرار می‌گیرد. معمولاً EEG از شخص هوشیار و بیدار که بر روی تخت به‌صورت نیمه خوابیده و با چشم های بسته است ثبت می‌شود. در چنین وضعی آرتیفکت های حاصل از حرکت لید-الکترود به میزان زیادی کاهش می‌یابد.

نحوه قرار دادن الکترودهای دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی روی سر:

محل قرار گرفتن الکترودها روی سر در بیشتر نقاط دنیا یکسان بوده و از یک استاندارد بین‌المللی موسوم به سیستم 20-10 پیروی می‌کنند. فواصل الکترودها نیز باید هم در محور طولی و هم در محور عرضی حتی‌المقدور برابر باشد. (مطابق شکل)

سیستم 20-10 توسط فدراسیون بین‌المللی الکتروانسفالوگرافی و نیز فیزیولوژی عصبی معرفی شده است این نام‌گذاری به آن دلیل انجام‌یافته که در این سیستم فاصله‌های خطی بین شقیقه‌های راست و چپ و بین پیشانی و برآمدگی پس سر را از روی سر به دو بخش 10 درصدی و 4 بخش 20 درصدی تقسیم می‌کنند.

نقاط تقاطع که از کشیدن خطوط عمود بر خطوط راست- چپ و قوامی-خلفی در مرز هر ناحیه 10 یا 20 پدید می‌آیند مشخص‌کننده نقاط استاندارد الکترود گذاری هستند و برای ساده شدن کار گزارش دهی به هر یک از نقاط یک اسم استاندارد اختصاص دادند. تعیین مکان های دقیق الکترود ها برای تعبیر و تفسیر درست نوار EEG لازم است. یک عدم تقارن یک سانتی باعث تغییر در مقادیر خوانده‌شده در نوار EEG خواهد شد. برای آسانی کار الکترودهای نوع CAP به‌صورت یک کلاه طراحی‌شده‌اند که بیمار آن را روی سر قرار می‌دهد.

روش های ثبت سیگنال EEG

دو روش برای ثبت سیگنال های EEG استفاده می‌شود که عبارت‌اند از:

1- ثبت نسبت به مرجع

2- ثبت دو قطبی

در روش اول پتانسیل تمام الکترودها نسبت به یک یا دو الکترود مرجع سنجیده می‌شود. انتخاب مرجع مناسب در این روش بسیار مؤثر و مهم است زیرا در این روش فرض می‌شود که مرجع فاقد هر گونه فعالیت الکتریکی است. به این دلیل به‌طورمعمول الکترودهای مرجع را به لاله گوش چپ یا راست و یا هر دو وصل می‌کنند.

در روش دوم اختلاف‌پتانسیل بین دو الکترود دلخواه بنا به انتخاب نوار بردار و یا مطابق یک استاندارد خاص اندازه‌گیری و ثبت می‌شود و لذا در اینجا مرجع مشخصی وجود ندارد.

هر یک از دو روش فوق مزایا و معایبی دارند که بسته به نوع کاربرد و شرایط باید یکی از آنها را انتخاب کرد. در روش الکترود مرجع به دلیل فواصل به نسبت زیاد بین الکترودهای فعال با الکترود مرجع دامنه سیگنال های دریافتی بیشتر است و البته نویز دریافتی نیز قوی تر است لیکن نسبت سیگنال به نویز در این حالت از حالت دوقطبی بیشتر است.

تفسیر نوارهای به‌دست‌آمده از روش مرجع به دلیل فواصل متفاوت الکترودها تا مرجع بسیار مشکل است و در بعضی موارد نمی‌توان نتایجی قطعی به دست آورد. بر خلاف این روش در روش دوقطبی به دلیل فواصل مساوی الکترود ها می‌توان سیگنال های به‌دست‌آمده بین دو به دوی الکترودها را از نظر دامنه با یکدیگر مقایسه کرد. لیکن در این روش تشخیص پلاریته کمی گیج کننده است که این مشکل با روش های پردازش رایانه‌ای حل می‌شود.

مونتاژها

برای بررسی درست فعالیت الکتریکی مغز استفاده از یک کانال کافی نیست و معمولاً بین 8 تا 21 کانال (و گاهی تا 128 کانال) EEG ثبت می‌شود. تا با مقایسه کانال های گوناگون بتوان نتایج بهتر و دقیق‌تری به دست آورد. ترکیب دو الکترود فعال یا یک الکترود فعال با الکترود مرجع را که برای ثبت یک کانال EEG استفاده می‌شود، انشعاب گویند. ترتیب انتخاب انشعابات را مونتاژ می‌نامند.

صدها نمونه و روش گوناگون وجود دارد که با آنها می‌توان 21 الکترود دستگاه EEG را به‌صورت 8 یا 16 کاناله مونتاژ کرد. بخشی از این اختلاف‌سلیقه، به علت عدم هماهنگی تکنیک‌های مورداستفاده تکنیسین‌های دستگاه و اختلاف نحوه آموزش آنها است. همچنین بخشی از آن به اطلاعاتی بستگی دارد که متقاضی نیاز دارد.

لازم به ذکر است که هیچ یک از مونتاژها نمی‌تواند تمامی اطلاعات مورد انتظار پزشک را برآورده سازد و لذا به‌طورمعمول در طول نوار برداری از چندین مونتاژ گوناگون استفاده می‌شود که هر یک، فعالیت بخشی ویژه از مغز را بهتر نشان می‌دهد و برای تأیید تشخیص‌های اولیه پزشک مهم است.

باید توجه کرد که اثر انتخاب نوع مونتاژ هنگامی که از رایانه در تغییر سیگنال استفاده شود کم می‌گردد چرا که در بسیاری از انواع مونتاژ ها الکترودهای فعال یکسان‌اند و تنها انشعاب های به‌کاررفته متفاوت است و به همین دلیل ظاهر نوار روی کاغذ متفاوت است که می‌تواند بعضی پدیده‌ها را بارزتر یا پنهان تر نماید لیکن زمانی که از روش های پردازش در رایانه استفاده می‌شود می‌توان با داشتن یک مونتاژ خاص بسیاری از مونتاژ های دیگر را به‌طور نرم‌افزاری بازسازی کرد و لذا مسئله ثبت انواع مونتاژ منتفی خواهد شد باوجوداین در شکل چندین نوع از انواع مونتاژهای 8 کاناله نشان داده شده است.

تقویت‌کننده‌های دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی

از الکترودهایی که با دقت به‌کار گرفته‌شده‌اند سیگنالی با دامنه 1 تا 10 میکرو ولت می‌تواند حاصل شود برای آنکه این مقادیر را تا حدی که قابل‌اعمال به‌عنوان ورودی دستگاه ثبت کننده باشد بالا بیاوریم تقویت قابل‌ملاحظه‌ای (گین 106) موردنیاز است ازآنجایی‌که سیم های رابط الکترود بلند هستند و محیطی که ثبت در آن صورت می‌گیرد هم معمولاً از نظر الکتریکی پر نویز است برای به دست آوردن ثبت های EEG باکیفیت بالا استفاده از تقویت‌کننده‌های تفاضلی که ذاتاً امپدانس ورودی و نسبت سر حالت مشترک بالایی دارند ضروری است.

در بعضی از مراکز با اتاق‌هایی که از نظر الکتریکی سپر محافظ (شیلد) دارند نویزهای الکتریکی محیطی خصوصاً نویز 60 هرتز برق متناوب شهر را به حداقل می‌رسانند چنانکه قبلاً گفته شد بیشتر اطلاعات موردعلاقه در EEG در باندهای فرکانسی پایین تر از 60 هرتز قرار دارند به‌طوری که می‌توان در تقویت‌کننده فیلتر پایین گذار قرار دارد تا نویز 60 هرتزی را به‌شدت تضعیف کند.

یک سیستم نوار EEG معمول حداقل هشت کانال تعریف‌شده دارد که هر کانال یک سیگنال ولتاژ را از یک جفت الکترود دریافت نموده و آن را به یک ثبت‌کننده نمودار منتقل کرده یا سیگنال آنالوگ را به سیگنال دیجیتال تبدیل نموده و بر روی رایانه نشان می‌دهد هر کانال EEG سیگنال دریافت شده را از الکترود را تقویت می‌کند این تقویت سیگنال در چند مرحله صورت می‌گیرد و در این دستگاه گین سیگنال یا به عبارتی حساسیت هر کانال، قابل تنظیم است.

دستگاه ثبت‌کننده

رایانه‌ها هم می‌توانند دستگاه ثبت‌کننده باشند برای این کار یک یا چند کانال EEG تقویت‌شده را با نرخی ثابت به فرم دیجیتالی تبدیل می‌کنند در چنین سیستم های با داده‌های نمونه‌برداری شده از هر کانال مداوم در بازه‌های زمانی ثابتی (بازه‌های نمونه‌ای) نمونه‌برداری می‌شود و این نمونه به‌وسیله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) به‌صورت یک عدد دودویی تبدیل می‌شوند.

مبدل A/D با واسط به رایانه مرتبط می‌شود به‌نحوی‌که هر نمونه می‌تواند در حافظه رایانه ضبط شود. دسته‌ای از چنین نمونه‌ها که با سرعت نمونه‌برداری کافی به‌دست‌آمده باشد (حداقل دو برابر سرعت جزئی از سیگنال نمونه‌برداری شده که بیشترین فرکانس را دارد) برای ارائه تمام اطلاعات موجود در شکل موج کفایت می‌کنند.

برای تضمین آنکه سیگنال فرکانس محدود است یک فیلتر پایین گذر را با فرکانس قطع برابر بالاترین فرکانس موردتوجه در سیگنال به‌کار می‌گیرند. فیلترهایی که از نظر فیزیکی واقعی هستند خصوصیات ایده آل ندارند و همین دلیل سرعت نمونه‌برداری را معمولاً بزرگ‌تر از دو برابر فرکانس قطع فیلتر در نظر می‌گیرند.

مراحل پردازش دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی

در تمامی کاربردهای ذکرشده می‌توان مراحل پردازش را به چند بخش تقسیم کرد:

ثبت سیگنال، مرحله پیش‌پردازش، استخراج ویژگی، طبقه‌بندی و ارزیابی. مرحله ثبت سیگنال EEG شامل انتخاب کانال ها و نحوه ثبت آنها است که معمولاً مطابق استاندارد 20-10 و در برخی موارد تحقیقاتی با الکترودهای زیاد حدوداً 64-128 انجام می‌پذیرد در مرحله پیش‌پردازش متناسب با نوع کاربرد، مراحل مختلفی انجام می‌پذیرد که از جمله معمول‌ترین آنها شامل مراحل زیر است:

سیگنال ثبت‌شده فیلتر می‌شود و بعدازآن زیر باندهای آلفا، بتا، تتا و دلتا از آن استخراج می‌شود.

مرحله دیگری که معمولاً در پیش‌پردازش سیگنال دستگاه الکتروانسفالوگرافی در نظر گرفته می‌شود تقسیم کردن زمانی سیگنال است به قطعاتی با طول برابر که در مرحله بعد برای هر قطعه ویژگی‌هایی استخراج می‌شود. طول و زمان این قطعات متناسب با نوع تحقیق است. به‌عنوان‌مثال در بررسی مراحل خواب طول این قطعات به 30 ثانیه و حتی چند دقیقه هم می‌رسد درحالی‌که در تشخیص آلزایمر ممکن است به یک دوم ثانیه و یک ثانیه برسد. انتخاب طول قطعات در مرحله پیش‌پردازش مستقیماً به موضوع ویژه استخراج ویژگی مربوط است.

ازآنجاکه حین ثبت سیگنال امکان پیش آمدن تحریکات ناخواسته و تأثیرات آنها بر سیگنال دریافتی وجود دارد لذا باید قطعات مشخص‌شده‌ای مورد انتخاب قرار گیرند که در زمان وقوع تحریکات واقع نشده باشند این تحریکات و تأثیرات ناخواسته آنها را بر سیگنال حیاتی به‌اصطلاح آرتیفکت می‌نامند. انواع آرتیفکت های موجود را می‌توان در دسته‌های ذیل قرارداد.

– پلک زدن: حرکت چشم و پلک زدن خود موجب تولید سیگنال های چشمی (EOG) می‌شود که معمولاً برای جداسازی این قطعات دارای آرتیفکت از ثبت هم زمان EOG،EEG استفاده می‌شود.

– آرتیفکت های حرکتی: نظیر حرکت سر و گردن و یا حرکت ماهیچه‌ها که موجب تأثیر سیگنال ماهیچه‌ای EMG بر سیگنال دریافتی می‌گردند این اثر ممکن است به‌صورت حرکت الکترود ها و تغییر مقاومت پوست- الکترود نیز ظاهر شود.

– تغییر مقاومت الکترود ها: حرکت الکترودها، کشیدگی و یا خشک شدن ژل محل اتصال الکترود و پوست موجب تغییر مقاومت محل اتصال پوست الکترود می‌گردد و لذا این مسئله به‌صورت آرتیفکت ظاهر می‌شود. موارد دیگر عبارت‌اند از سیگنال تنفسی، تحریکات صوتی، نوری و … می‌توانند به‌صورت آرتیفکت، قطعاتی از سیگنال دریافتی را بلااستفاده کنند.

پس از طی مراحل پیش‌پردازش سیگنال EEG، قطعات انتخاب‌شده که فاقد آرتیفکت هستند مورد تحلیل قرار می‌گیرند معمولاً از این قطعات ویژگی‌هایی استخراج می‌شود که در حقیقت داده‌های سیگنال EEG را به فضایی مجازی انتقال می‌دهد که امکان طبقه‌بندی و تفسیر به وجود بیاید.

استخراج ویژگی به شیوه‌های مختلفی انجام می‌پذیرد که آمارگان سیگنال، نمونه‌های آماری، آمارگان طیف فرکانسی، توصیف‌کننده‌های آشوب گون و … همگی از این دسته هستند. به‌طورکلی از یک دیدگاه سیگنال EEG را می‌توان سیگنالی با ماهیت تصادفی دانست که تحلیل های آماری سری زمانی و طیف فرکانسی در آن مورداستفاده قرار می‌گیرند.

از دیدگاه‌های دیگر سیگنال EEG را می‌توان حاصل فعالیت سیستمی معین با رفتارهای تصادفی دانست که اخیراً کاربرد تئوری آشوب و این دیدگاه بیشتر موردتوجه پژوهشگران قرار گرفته است. پس از استخراج ویژگی ها از قطعات سیگنال EEG نوبت به طبقه‌بندی یا تفسیر نتایج می‌رسد که کاربرد سیستم های فازی، شبکه‌های عصبی مصنوعی و به‌طورکلی سیستم های هوشمند قابل توجه است.

لازم به ذکر است که در این دستگاه الکتروانسفالوگرام می‌توان بعد از تبدیل سیگنال EEG به فرم دیجیتال از آن تبدیل FFT بگیریم به‌این‌ترتیب سیگنال به حوزه فرکانس می‌رود و تبدیل به یک منحنی می‌شود که محور افقی آن فرکانس است و محور عمودی شدت یا دامنه به‌این‌ترتیب می‌توان تعیین کرد که سیگنال در هر فرکانسی چه قدرتی دارد. مثلاً اگر بخواهیم قدرت مطلق سیگنال در محدوده آلفا را در موقعیت یکی از الکترود ها به دست آوریم می‌توانیم سطح زیر منحنی را در این محدوده فرکانسی حساب کنیم.

 کاربردهای دستگاه EEG یا الکتروانسفالوگرافی

1- بیماری صرع

بیماری صرع در واقع بر اساس سیگنال دستگاه الکتروانسفالوگرافی تعریف می‌شود. اصلاً تعریف صرع اختلالات بیوالکتریکی مغز است. در بیماری صرع تعادل بیوالکتریکی غشای نرون به هم می‌خورد و باعث می‌شود که الکتریسیته زیادی بی‌دلیل ایجاد و تخلیه شود چون کرتکس مغز منشأ رفتاری انسان است این تخلیه الکتریکی بر حسب موضعی یا عمومی بودن در کل مغز اثرات خاص دارد. مثلاً اگر بخش خاصی از کرتکس باشد بر حسب محل یک سری علائم منطقه‌ای ایجاد می‌شود مثلاً دست فرد شروع به حرکت می‌کند یا تصاویر مجازی می‌بیند یا صداهای خاصی می‌شنود.

اگر تمام مغز درگیر باشد مریض بی‌هوش می‌شود و علائم غش صرع را نشان می‌دهد. این تعریف بیماری نشان می‌دهد که الکتروانسفالوگرافی جایگاه ویژه‌ای در تشخیص آن دارد، البته باید بگوییم که تغییر در سیگنال EEG بیمار صرعی محدود به دوره حمله صرع نیست. یعنی حتی وقتی بیمار دچار علائم صرع نیست هم تغییرات معنی‌داری در نوار مغز وجود دارد. در EEG بیماران صرعی شکل های خاصی از امواج به‌صورت سوزنی (spike) با دامنه‌های بسیار بزرگ دیده می‌شود از روی سیگنال هم می‌توان تشخیص بیماری را به دست آورد و همان را با استفاده از الکترو انسفالوگرافی کمی شده مکان‌یابی کرد.

2- آلزایمر و پارکینسون

اینها نمونه‌هایی از بیماری های دژنراتیو هستند که در آن نرون ها در بعضی بخش های مغز به دلیلی ناشناخته می‌میرند یعنی بدون آنکه فرد دچار سکته، تومور، یا التهاب و عفونت باشد سلول های مغزی می‌میرند شاید دلیل این امر یک تغییر ژنتیکی در سلول باشد که در آن ژنی که عمر سلول را تعیین می‌کند دچار تغییر یا اشکال شود.

اگر این حالت در کورتکس اتفاق افتد آلزایمر ایجاد می‌شود که درک و حافظه و اعمال های انسانی فرد را مختل می‌کند یا اگر قسمت‌های سابکورتیکال از بین بروند پارکینسون ایجاد می‌شود. بیماری های دژنراتیو هم بر سیگنال EEG تأثیر می‌گذارند. الکتروانسفالوگرافی مجموع فعالیت الکتریکی نورون های مغز است پس طبیعی است که وقتی تعداد نورون ها کم می‌شود EEG هم از نظر شدت و هم از نظر شکل تغییراتی را نشان می‌دهد.

برخی از کاربرهای دستگاه EEG کاملاً اختصاصی هستند مثلاً مسمومیت های دارویی که بر اثر حادثه یا خودکشی پیش می‌آید یا بیماری های متابولیکی (افزایش سطح اوره و …) سیگنال دستگاه الکتروانسفالوگرافی را تغییر می‌دهند.

الگوهای رفتاری مغز و کاربردهای عملی آن

شناسایی اشخاص

یکی از تحقیقات انجام‌یافته روی سیگنال EEG شناسایی هویت و تفکیک افراد است محققان معتقدند که سیگنال EEG حاوی اطلاعات ژنتیکی خاص هر فرد است لذا استخراج ویژگی های این سیگنال می‌تواند در موارد تشخیص هویت کاربرد داشته باشد. شاید بتوان یکی از کاربردهای مهم این کار تحقیقی را در سیستم های امنیتی و فشرده‌سازی اطلاعات دانست به‌این‌ترتیب که به‌جای استفاده از اثرانگشت، تست خون و بافت عنبیه چشم یک سیگنال EEG تک کاناله استفاده شود.

ایده این کار تحقیقی به بررسی طیف فرکانس سیگنال مغزی دوقلوها بازمی‌گردد تحقیقات نشان داده است که طیف فرکانسی سیگنال مغزی دوقلوها تفاوت قابل‌ملاحظه‌ای ندارد همین‌طور مطالعات بیانگر این مسئله هستند که برای افراد یک خانواده شباهت‌های بسیاری در ریتم آلفا و بتا وجود دارد.

بررسی وضعیت هوشیاری تحت هیپنوتیزم، مدیتیشن و موسیقی

از زمینه‌های تحقیقی دیگر سیگنال EEG نحوه تغییرات وضعیت هوشیاری و تمرکز ذهن در زمان شنیدن موسیقی، مدیتیشن و هیپنوتیزم را می‌توان نام برد. هیپنوتیزم و تحلیل مراحل چندگانه عمق آن، همچون مراحل مختلف خواب از زمینه‌های تحقیقی روز سیگنال هستند واضح است که شنیدن موسیقی وضعیت احساسی و حالت ذهنی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. و این همان نکته‌ای است که از آن در درمان برخی بیماری های روانی نظیر افسردگی استفاده می‌شود.

اما معمولاً این که چه نوعی از موسیقی چگونه تغییراتی را در فردی بخصوص ایجاد می‌کند قابل‌طبقه‌بندی نیست سیگنال EEG که حاوی اطلاعات مفیدی از وضعیت هوشیاری و تمرکز ذهن است می‌تواند تأثیرات موسیقی را بیان کند تحقیقاتی چند انجام پذیرفته است تا بتوان به کمک استخراج ویژگی‌هایی این تغییرات را کمی نمود به‌این‌ترتیب شاید زمانی این امکان فراهم شود که برای القای حالت ذهنی خاصی برای فردی معین بتوان موسیقی را انتخاب نمود. ثبت هم زمان سیگنال EEG همراه با پخش موسیقی نحوه تغییرات حالت درونی و وضعیت سیستم عصبی را بیان می‌کند.

هشدار تغییر وضعیت هوشیاری

یکی از موارد تصادفات رانندگی، خواب رفتن راننده پشت فرمان است که امروزه برای طراحی سیستم اتوماتیکی که این گذار بیداری به خواب را هشدار دهد تحقیقات زیادی انجام پذیرفته است. یکی از موارد تحقیقی بر سیگنال EEG متمرکز شده است به این معنی که ثبت سیگنال مغزی حین رانندگی اطلاعاتی از وضعیت هوشیاری راننده را به سیستم کنترل دهنده می‌دهد به‌این‌ترتیب گذار از حالت بیداری به خواب که معمولاً به‌صورت تغییر ریتم مغزی از بتا (بیداری) به آلفا (خواب سطحی) و تتا و گاما (مراحل عمیق تر) ظاهر می‌شود برای سیستم قابل‌تشخیص می‌گردد لازم به ذکر است که برای راه‌اندازی چنین سیستمی نیاز به ثبت سیگنال EEG با کانال های زیاد وجود ندارد.

اشکالات گزارش‌شده سیستم EEG

چسب کلودین (collodion) بسیار اشتعال زا است بنابراین باید آن را بااحتیاط انبار کرد و مورداستفاده قرارداد. عمومی‌ترین مشکل کاربرد نادرست الکترود ها است این اشکالات مربوط به نحوه آماده ساختن پوست سر و وصل نمودن الکترود است که باید در پیکربندی های سیستم 10-20 به‌درستی در موضع خود بر روی جمجمه بیمار نصب شوند تماس ضعیف الکترود با سطح سر می‌تواند در نتایج حاصله خطا پدید آورد.

یک شکل متداول در کار با الکترود انسفالوگراف عدم عملکرد درست دستگاه برای حذف یا فیلتر نمودن سیگنال های ناخواسته است. پتانسیل های الکتریکی که از منابع دیگری به‌غیراز خود مغز بیمار ناشی می‌شود (مثلاً از خود دستگاه الکتروآنسفالوگراف مداخلات الکتریکی خارج از مدار بیمار، الکترودها و لیدها حرکت چشمان بیمار، حرکت عضله‌ای و سیگنال قلبی) ازاین‌دست هستند.

اساس حذف این سیگنال ها از سیگنال نهایی، استفاده از فیلترهای الکترونیکی است مثلاً از فیلتر ناچ برای حذف اختلال برق شهر استفاده می‌گردد. انواع دیگری از فیلتر ها برای حذف تداخل‌هایی در رنج های مختلف فرکانسی استفاده می‌شوند. روش‌های دیگری از قبیل تاباندن یا شیلد کردن سیم ها هم در جلوگیری از اثر برق شهر یا بخش های مختلف دستگاه بر روی سیگنال مؤثرند.

خلاصه و جمع بندی

امیدواریم توانسته باشیم مطالب ارزنده و کاربردی را برایتان تهیه کرده باشیم. صمیمانه آماده شنیدن نظرات و تجربیات تان درباره دستگاه EEG یا دستگاه الکتروانسفالوگرام هستیم.

کامران نوروزی

سلام خوشحالم که با شما آشنا شدم من کامران نوروزی ام. کارشناس ارشد تجهیزات پزشکی کنجکاو و عاشق نویسندگی داستان من دقیقا از زمانی شروع شد که با دنیای تجارت الکترونیک آشنا شدم از اون موقع تا حالا سعی کردم بهترین تجربه خرید و مشاوره آنلاین تجهیزات پزشکی رو به کاربران هاسپکسا منتقل کنم. و این داستان همچنان ادامه داره ….