Электронные медицинские аппараты, системы и комплексы

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»

 

Кафедра ЭЭТ

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

 

 

по предмету

«Электронные медицинские аппараты, системы и комплексы»

 

на тему

«ЭЭГ в медицинской технике»

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

Руководитель:

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013 
Введение

 

 

Спонтанную биоэлектрическую активность можно регистрировать на протяжении длительного времени, обеспечивая тем самым мониторинг функционального состояния мозга больного, даже находящегося в бессознательном состоянии, при глубоком наркозе. Такие достоинства ЭЭГ как высокая степень ее корреляции с уровнем бодрствования и с состоянием метаболизма и гемо- и ликвороциркуляции, а также способность улавливать нарушения этих факторов с минимальным латентным периодом, до развития необратимых изменений в мозгу, возможность обнаружения скрытых форм патологии мозга, неинвазивность метода и возможность использования его у обездвиженных больных и больных в коматозном состоянии, хорошо и давно известны и признаны бесспорными.

Многочисленными экспериментальными и клиническими исследованиями показана зависимость функционального состояния мозга, проявляющаяся в изменениях его электрической активности, от условий его гемодинамики и метаболизма. Показано, что снижение уровня оксигенации мозга приводит к снижению частоты ритмов ЭЭГ от нормального альфа-ритма до 4-7 Гц ( тета-ритм ) и более медленным -дельта- колебаниям. Наряду с этим, отмечается падение амплитуды биопотенциалов мозга, приводящее в дальнейшем к картине биоэлектрического молчания на ЭЭГ. Аналогичную динамику изменений биоэлектрической картины мозга можно наблюдать при снижении артериального давления ( АД ).

Проведенные экспериментальные исследования явились теоретической предпосылкой для использования ЭЭГ в клинической практике для оценки функционального состояния мозга у больных с нарушениями мозгового кровообращения, при остановке сердца, в коматозном состоянии, в кардиохирургии, хирургии сосудов, нейрохирургии. Для этих целей применяют мониторинг ЭЭГ, используя при ее оценке как рутинный визуальный анализ, так и различные методы компьютерного анализа.

Клиническое использование мониторинга спонтанной электрической активности мозга в первую очередь касается отделений интенсивной терапии, анестезиологии, операционных, во время операций на сердце, легких, сосудах, а также при нейрохирургических операциях.

 

1. Применение ЭЭГ в анестезиологии, нейрохирургии и аппаратах поддержания жизни

 

 

Применение мониторинга ЭЭГ в анестезиологии осуществлялось практически с первых шагов электроэнцефалографии. Основной задачей этих исследований являлась оценка глубины наркоза с тем, чтобы поддерживать его на оптимальном уровне и осуществлять необходимую коррекцию при его ведении, возможность оценить влияние на мозг неблагоприятных факторов и эффективность проводимых мероприятий, а также являться документальным доказательством того, что мозг во время анестезии оставался в удовлетворительном состоянии. Кроме того, мониторинг ЭЭГ позволяет дать характеристику действия различных анестезиологических препаратов на мозг.

На основании динамики ЭЭГ различают семь стадий анестезии:

1. нарушение альфа-ритма и постепенное его замещение быстрой активностью;

2. появление медленных форм активности наряду с частыми колебаниями;

3. снижение амплитуды биопотенциалов, нерегулярная медленная активность;

4. медленная активность с периодами электрического молчания не менее 3 сек ;

5. периоды биоэлектрического молчания до 10 сек;

6. периоды электрического молчания более 10 сек, чередующиеся со вспышками медленных волн невысокой амплитуды;

7. полное электрическое молчание.

Разница в степени депрессии корковых и стволовых структур при действии различных анестетиков может привести к различным клиническим эффектам при идентичной ЭЭГ. Поэтому шкалу глубины наркоза следует определять для каждого анестетика отдельно. Кроме того, следует учитывать возможность вторичных влияний на мозг: гипоксии и ишемии, обусловленных нарушением при глубоком наркозе других физиологических функций: сердечной либо дыхательной недостаточности, которые также могут приводить к депрессии корковой активности.

Современная анестезия практически не использует глубокие уровни наркоза и включает в себя довольно поверхностный наркоз с включением анальгетиков и миорелаксантов. Поэтому биоэлектрическая активность остается достаточно стабильной, характерной для 1-3 уровней глубины наркоза. В условиях неглубокого наркоза, особенно при применении миорелаксантов, когда болевые раздражения могут вызвать состояние стресса, возможны моменты пробуждения больного. В этих случаях мониторинг биоэлектрической активности мозга является крайне желательным, т.к. может отразить реакцию мозга на болевое раздражение в виде падения амплитуды биопотенциалов мозга.

Особое значение монитор ЭЭГ имеет при выходе больного из наркозного сна. ЭЭГ имеет большое значение в качестве чувствительного и не требующего внешних раздражений индикатора состояния сознания больного. С помощью ЭЭГ было показано, что различные медикаменты, оказывают разное по длительности воздействие на мозг (от получаса до 18 часов и более). Знание действия препаратов и мониторинг ЭЭГ во время выхода из наркоза могут дать сведения о нарушениях и необходимости принятия адекватных мер для восстановления функций мозга. Чаще всего подобные задержки выхода из наркоза наблюдаются после операций на открытом сердце, когда во время операции развивается остановка сердца, либо используется управляемая артериальная гипотензия.

Ишемия мозга из-за острого снижения АД может носить локальный характер, особенно в зонах смежного кровоснабжения или приводить к диффузному повреждению мозга. Мониторинг биоэлектрической активности мозга в этих случаях может способствовать ранней диагностике возможной ишемии и применению медикаментозных средств. При этом желательно использовать комплексное исследование ЭЭГ - для прогноза диффузных ишемических нарушений мозга и электрокортикографию (ЭКоГ) - для контроля за локальными изменениями биоэлектрической активности.

Планируя операцию с временным выключением одного из мозговых сосудов, необходимо провести исследование возможностей коллатерального кровообращения мозга. Ангиографические исследования, поведенные перед операцией, дают представление об анатомическом строении вилизиева круга, оставляя в стороне вопрос о его функциональных возможностях. Длительная регистрация ЭЭГ во время пальцевого сдавления сонной артерии на шее на стороне патологии (проба Матаса) дает представление об адекватности коллатералей мозговых сосудов. Снятие ЭЭГ при этом позволяет выявить те изменения, которые могут возникнуть во время операции при выключении сонной артерии и установить устойчивость больного к прекращению кровотока по ней. Однако это исследование имеет недостаток: трудно контролировать степень пальцевого пережатия сосуда и могут быть получены как фальшнегативные, так и фальшпозитивные результаты. Этот метод становится более информативным при комплексном исследовании, включающем методы, характеризующие состояние мозгового кровообращения при пальцевом сдавлении, такие как допплерография, а также реже используемая в настоящее время реоэнцефалография. Более адекватным является мониторинг ЭЭГ во время временного выключения сонной артерии баллоном-катетером во время эндоваскулярного вмешательства. Этот метод позволяет адекватно оценить состояние коллатерального кровообращения по изменениям биоэлектрической активности мозга, а также прогнозировать возможные ишемические осложнения во время операции, сопровождающейся временным или стационарным выключением мозговых сосудов (как при внутрисосудистых. так и при интракраниальных вмешательствах).

Появление на ЭЭГ изменений в виде односторонних медленных волн большой амплитуды, может свидетельствовать о неадекватности мозгового коллатерального кровообращения. Появление острых импульсов, частых колебаний и негрубой медленной активности - говорит о не вполне адекватном кровообращении. Отсутствие дополнительных изменений свидетельствует о сохранном коллатеральном кровотоке. Характеристика коллатерального кровообращения мозга используется также в хирургии опухолей кавернозного отдела, при которой осуществляется временное выключение сонной артерии, для уменьшения кровотечения из опухоли. Проведение длительного, в течение всей операции, мониторинга спонтанной электрической активности мозга позволяет контролировать ход операции, уловить начало развивающихся осложнений, способствовать их предупреждению и коррекции. 

Во время интракраниальных операций, помимо мониторинга скальповой ЭЭГ, отражающей функциональное состояние всего мозга и его реакцию на выключение из кровообращения одного из мозговых сосудов, используют метод ЭКоГ, с наложением электродов непосредственно на кору мозга в бассейне кровоснабжения оперируемого сосуда, для определения очагов возможной локальной ишемии. Желательно одновременное применение как скальповой ЭЭГ, так и ЭКоГ. Это дает возможность оценить как общее состояние мозга, так и отдельных его регионов, вовлеченных в патологический процесс, или в бассейне выключенного сосуда. Аналогичные цели преследует мониторинг спонтанной биоэлектрической активности мозга при эндартерэктоми из сонной артерии.

Интраоперационный мониторинг спонтанной биоэлектрической активности мозга незаменим в хирургии эпилепсии. Подобные операции осуществляются после длительного клинического исследования, включающего неврологическое и психологическое исследования и методы визуализации: АГ, КТ, МРТ и др. В число этих исследований входит и предоперационное исследование ЭЭГ [8,10,16,64,68]. Причиной эпилептического синдрома, помимо очагов эпилепсии, могут быть опухоли мозга, каверномы, артерио-венозные мальформации, ликворные кисты, последствия черепно-мозговой травмы. На ЭЭГ при этом при длительной регистрации с применением функциональных провоцирующих проб, выявляют фокус эпи-активности. В этих случаях большую помощь оказывает картирование мозга и использование программы "Brain Lok", основанной на трехмерной локализации источника. Во время операций, проводимых с целью удаления патологического образования и фокуса эпи-активности, мониторинг биоэлектрической активности мозга позволяет определить размер оперативного вмешательства и величину оптимальной резекции коры для удаления очага эпи-активности и минимального повреждения мозга. Для этих целей используют ЭКоГ. Наряду с этим, монитор ЭКоГ используется при операциях удаления опухолей мозга для идентификации функциональных центров речи, двигательных, чувствительных, что помогает нейрохирургу осуществлять операции с наименьшими повреждениями мозга.

Если подвести итог вышесказанному, то можно выделить следующие тезисы: Мониторинг функций мозга по данным регистрации его спонтанной биоэлектрической активности нашел в настоящее время широкое применение в клинической практике, в частности, в нейроанестезиологии и нейрохирургии, для оценки состояния мозга при операциях на его сосудах, требующих снижения АД (управляемая гипотония) или выключения из кровотока сосуда, несущего аневризму, при хирургии в области кавернозного синуса, при каротидной эндартерэктомии. Наряду с этим мониторинг ЭЭГ осуществляется при временной или стационарной окклюзии сосудов баллоном-катетером, а также для характеристики коллатерального кровообращения мозга. Кроме того большое значение мониторинг электрической активности мозга имеет в анестезиологической практике для решения чисто анестезиологических задач – определения глубины наркоза, для осуществления контроля ведения анестезии и выхода из нее, а также для определения действия на мозг того или иного анестетика.

 

 

2. Системы с интерфейсом мозг-компьютер и системы компенсации инвалидности

 

 

Еще в 1990 году Рой Бэкэй и Филипп Кеннеди начали свои эксперименты по “извлечению” сигналов из мозга. В 1996 году в Атланте (в Университете Эмери) они получили разрешение на проведение двух экспериментов с участием безнадежно больных людей. Первый опыт завершить не удалось – женщина, принимавшая в нем участие, вскоре скончалась. Второй же прошел успешно. В 1998 году художник и музыкант Джонни Рей (1944–2002), тяжело парализованный из-за травмы ствола головного мозга (синдром “запертого человека”), стал пионером связывания мозга и компьютера.

В его мозг был имплантирован микроэлектрод (использовался тефлон, вызывающий обрастание нервными тканями контактов микросхемы), который соединили с компьютером. Рэй должен был думать о выполнении простых движений – о поднятии руки и т.п. Нервные импульсы, соответствующие этим движениям, были запрограммированы на управление курсором на экране компьютера.

После тренировок Рэй смог управлять курсором, набирать текст по буквам и даже генерировать музыкальные сигналы. Когда Бэкэй и Кеннеди спросили у него, что он чувствует, когда управляет курсором, он медленно написал "ничего". Похожие эксперименты с тех пор были повторены неоднократно, однако более массовым стало использование гораздо более дешевой и безопасной электроэнцефалографии.

Одной из первых сложных систем “мысленного” управления компьютером стал программно-аппаратный комплекс для набора текста, разработанный в 2006 году коллективом из Wadsworth Center (штат Нью-Йорк, США), под руководством Питера Бруннера.

Эта система была полностью адаптирована для домашнего применения и включала в себя шлем для снятия ЭЭГ с 24 контактами, специальный преобразователь сигналов и обычный ноутбук.

Система, разработанная в Wadsworth Center, работала на очень простом, но эффективном принципе. На экране компьютера отображалась таблица с символами (представленная на рисунке 1), которые поочередно подсвечивались. Человек должен был смотреть на нужный символ, а компьютер, анализируя изменение активности мозга, фиксировал момент, когда подсвечивалась именно та буква, о которой думал человек.

 

 

Рисунок 1 – Таблица, использованная Wadsworth Center для набора символов посредством ЭЭГ

И хотя скорость набора текста составляла примерно один символ в 15 секунд — это был прорыв, позволивший нескольким парализованным людям общаться с внешним миром. Среди них был, например, 48-летний нейробиолог, страдающий боковым амиотрофическим склерозом, который не мог двигать ни руками, ни даже глазами. Используя разработанный мозг-компьютерный интерфейс, ученый смог продолжить свою работу.