Обработка сигналов головного мозга
Покупка
Новинка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Поволжский государственный технологический университет
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 76
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-8158-2350-1
Артикул: 822972.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие по дисциплине «Актуальные вопросы нейробиологии» включает восемь теоретических разделов, которые раскрывают содержание основ электроэнцефалографии, цифровой обработки сигналов ЭЭГ, анализа и классификации сигналов ЭЭГ, а также различных приложений обработки сигналов головного мозга. Каждый раздел сопровождается вопросами для самопроверки знаний. Для студентов специальностей 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии», обучающихся по профилю «Искусственный интеллект в биомедицинских системах», и 27.04.04 «Управление в технических системах», обучающихся по профилю «Автоматизация и системы управления».
Тематика:
ББК:
УДК:
- 60: Прикладные науки. Общие вопросы
- 611: Анатомия. Сравнительная анатомия
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 12.04.04: Биотехнические системы и технологии
- 27.04.04: Управление в технических системах
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Я. А. Фурман К. О. Иванов И. О. Танрывердиев ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА Учебное пособие \ Йошкар-Ола 2023
УДК 602:611.8:621.391(075.8) ББК 28.073я73 Ф 95 Р ецензенты : Баширов В. И.., главный врач ООО МЦ «Умный доктор»; Петухов И. В., д-р техн. наук, профессор, ректор Поволжского государственного технологического университета Печатается по решению редакционно-издательского совета ПГТУ Ф 95 Фурман, Я. А. Обработка сигналов головного мозга: учебное пособие / Я. А. Фурман, К. О. Иванов, И. О. Танрывердиев. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2023. – 76 с. ISBN 978-5-8158-2350-1 Учебное пособие по дисциплине «Актуальные вопросы нейробиоло- гии» включает восемь теоретических разделов, которые раскрывают содержание основ электроэнцефалографии, цифровой обработки сигналов ЭЭГ, анализа и классификации сигналов ЭЭГ, а также различных приложений обработки сигналов головного мозга. Каждый раздел сопровождается вопросами для самопроверки знаний. Для студентов специальностей 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии», обучающихся по профилю «Искусственный интеллект в биомедицинских системах», и 27.04.04 «Управление в технических системах», обучающихся по профилю «Автоматизация и системы управления». УДК 602:611.8:621.391(075.8) ББК 28.073я73 ISBN 978-5-8158-2350-1 © Фурман Я. А., Иванов К. О., Танрывердиев И. О., 2023 © Поволжский государственный технологический университет, 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ Памяти В. В. Севастьянова ............................................................................4 Список используемых сокращений..............................................................6 Введение .............................................................................................................7 1. Развитие научного подхода к изучению и пониманию сигналов мозга........................................................................................9 2. Электрическая активность клеток головного мозга....................16 3. Математические основы работы искусственных нейронных сетей ..................................................................................23 4. Информативные признаки энцефалограммы ................................32 5. Классификация электроэнцефалограмм.........................................39 6. Вычислительный анализ электроэнцефалограммы.....................43 7. Нормопатологическая классификация электроэнцефалограммы ....................................................................51 8. Характеристика современного отечественного электроэнцефалографа системы «Энцефалан».............................54 Заключение.......................................................................................................58 Глоссарий .........................................................................................................60 Список литературы ........................................................................................70
Светлой памяти Виктора Викторовича Севастьянова посвящается Идейным вдохновителем этого учеб- ного пособия и основоположником научных исследований в области электроэнцефалографии на кафедре радиотехнических и медико-биологических систем Поволжского государственного технологического университета был доктор медицинских наук, профессор, главный врач Государственного бюджетного учреждения Республики Марий Эл «Центр патологии речи и нейрореабилитации нейро- сенсорных и двигательных нарушений» Виктор Викторович Севастьянов. При активном участии Виктора Викторовича в 2001 году в Марийском государственном техническим университете (ныне ПГТУ) была открыта специальность «Инженерное дело в медико-биологической практике», в настоящий момент носящая название «Биотехнические системы и технологии». Виктор Викторович родился 27 июля 1942 года в Астрахани. Отец погиб на Великой Отечественной войне в 1943 году. Мать — врач- терапевт, переехала с сыном сначала в село Мари-Турек в Марийскую АССР, а затем в 1947 году — в город Волжск. Окончил Казанский медицинский институт и Рязанский радиотехнический университет. После окончания института работал в Марий Эл. Заведовал неврологическим отделением Детской республиканской больницы, был главным внештатным детским невропатологом регионального Минздрава, руководил Нейроофтальмологическим центром. В 1996 году получил степень доктора медицинских наук, защитив диссертацию на тему «Применение многоканальной программируемой электростимуляции в лечении заболеваний нервной системы». В 1999 году под руководством Виктора Викторовича в Йошкар-Оле был открыт Центр патологии речи и нейрореабилитации, где используются его уникальные методики лечения.
Сплав знаний из разных областей науки позволил Виктору Вик- торовичу внедрять высокие медицинские технологии и успешно лечить самых тяжелых пациентов не только из Республики Марий Эл, но и из разных уголков России, ближнего и дальнего зарубежья. Методы доктора Севастьянова по восстановлению утраченных функций организма включают электростимуляцию, лазеротерапию, специальный массаж, медикаментозное лечение и иппотерапию. За период научной деятельности им было получено 5 авторских свидетельств на изобретения, 11 патентов в США, Италии, Германии, Греции, Польше. Профессором Севастьяновым опубликовано свыше 240 научных работ: учебные и учебно-методические пособия, монографии, статьи в научных сборниках и журналах. Заслуги Виктора Викторовича получили всеобщее признание в области здравоохранения. Он являлся отличником здравоохранения, заслуженным врачом РМЭ и РФ. На протяжении последних лет неоднократно избирался депутатом Государственного собрания Республики Марий Эл. Виктор Викторович успешно совмещал медицинскую практику и общественную работу с преподаванием в Поволжском государственном технологическом университете, являясь профессором кафедры радиотехнических и медико-биологических систем. Его педагогический талант дал ориентир в профессии многим молодым людям. Виктор Викторович ушел из жизни 13 декабря 2020 года. Его коллеги и многочисленные ученики бережно хранят память о нем и продолжают начатое им дело.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ АЦП – аналого-цифровой преобразователь БПФ – быстрое преобразование Фурье ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения ДПФ – дискретное преобразование Фурье КЭЭГ – компьютерная электроэнцефалография КТ – компьютерная томография МРТ – магнитно-резонансная томография ПЭТ – позитронно-эмиссионная томография УВО – устройство вторичной обработки УПО – устройство первичной обработки ЦНС – центральная нервная система ЭЭГ – электроэнцефалограмма РАМН – Российская академия медицинских наук ФП – функциональная проба ЭОГ – электроокулограмма ЭМГ – электромиограмма
ВВЕДЕНИЕ Электроэнцефалография (ЭЭГ) является разделом электрофи- зиологии, изучающим закономерности суммарной электрической активности мозга, наблюдаемой на поверхности кожи головы пациента, и способы записи ее потенциалов. ЭЭГ – неинвазивный метод исследования функционального состояния головного мозга путем регистрации этой активности. Он отражает изменения функций коры головного мозга и глубинных мозговых структур, обеспечение миллисекундного временного разрешения, недоступное другим методам исследования мозговой активности, в том числе ПЭТ и МРТ. Электроэнцефалография позволяет качественно и количественно проанализировать функциональное состояние головного мозга и его реакции при действии раздражителей. Запись ЭЭГ используется в диагностике и лечебной работе, а также при исследовании таких свойств как восприятие, память, адаптация и т.д. Регистрация ЭЭГ выполняется прибором электроэнцефалографом через специальные электроды, расположенные на голове испытуемого по международным системам «10-20 %» или «10-10 %». В учебном пособии рассмотрены наиболее важные и интересные вопросы, связанные с природой электрической активности на поверхности головы человека и интерпретацией ее в качестве сигналов мозга. Эти сигналы зафиксированы в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Пособие состоит из восьми разделов. Содержание каждого из них представлено как краткий конспект лекции, посвященной одной из актуальных задач, связанных с обработкой электроэнцефалограммы, пониманием и использованием полученных сигналов. Первый раздел посвящен развитию научного подхода к изуче- нию и пониманию сигналов мозга, особое внимание уделено ключевым этапам и направлениям в области электроэнцефалографии (ЭЭГ), а также роли ЭЭГ в функциональной диагностике центральной нервной системы человека. Кроме того, здесь представлены основные перспективные направления развития методов анализа сигналов головного мозга человека с применением технологий искусственного интеллекта.
Во втором разделе рассматривается электрическая активность клеток головного мозга на основе мембранной теории, показаны особенности работы нейронных сетей, а также способы оценки динамики мозговых процессов. В третьем разделе дается информация о том, каким образом осу- ществляется взаимодействие между нейронами искусственной нейронной сети, а также о том, в чем заключается обучение нейронной сети и каким образом происходит корректировка весовых коэффициентов связей между нейронами в искусственной нейронной сети. В четвертом разделе кратко представлены информативные при- знаки электроэнцефалограммы, характеристики основных ритмов ЭЭГ, виды биоэлектрической активности мозга, патологические проявления на ЭЭГ. Пятый раздел посвящен методам классификации ЭЭГ с помо- щью визуального анализа, а также характеристикам основных групп ЭЭГ: нормальных, пограничных и патологических. В шестом разделе речь идет о различных видах вычислительного анализа электроэнцефалограмм, а в седьмом – о нормопатологиче- ской классификации ЭЭГ. В восьмом разделе приведены основные характеристики и функ- ции отечественного электроэнцефалографа «Энцефалан», показано, как с его помощью осуществляется оценка ЭЭГ. В глоссарии представлены термины и определения, связанные с понятиями нейробиологии, биомедицинских компьютерных систем и технологий. Более глубокие знания заинтересованный читатель может полу- чить, ознакомившись с источниками, приведенными в достаточно обширном списке литературы, где представлены как фундаментальные издания прошлых лет, так и современные актуальные работы по рассматриваемой тематике.
РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО ПОДХОДА К ИЗУЧЕНИЮ И ПОНИМАНИЮ СИГНАЛОВ МОЗГА Мозг человека генерирует колебания электрических потенциалов в виде ритмов разных частот. Зарегистрированные на голове человека, эти потенциалы в виде электроэнцефалограмм (ЭЭГ) служат объективным показателем работы его мозга, доступным для исследования в любых ситуациях: при бодрствовании, во время сна, активной нормальной деятельности и при патологических состояниях, вплоть до полного отсутствия сознания. Исследование динамики подобных потенциалов лежит в основе понимания деятельности мозга человека как сложной системы [1]. Регистрация ЭЭГ заключается в фиксации электрических потенциалов системой расположенных на поверхности головы электродов. Начало научного подхода к проблеме датируется 1928 годом по- сле открытия австрийским врачом Г. Бергером ритмической электрической активности с частотой 10 Гц (α-ритм), зарегистрированной через неповрежденные покровы головы пациента. В середине прошлого века были открыты дельта- и бета-ритмы, наблюдаемые в других частотных диапазонах ЭЭГ, и связи этих ритмов с патологией в головном мозге [2]. Эти данные обусловили развитие клинической ЭЭГ на основе визуального анализа формы наблюдаемых колебаний. Получили развитие математические методы анализа ЭЭГ, связанные, в первую очередь, со спектральными и корреляционными функциями ЭЭГ [3]. В настоящее время в неврологии широко применяются методы нейровизуализации – компьютерная томография (КТ), магнитно- резонансная томография (МРТ), позитронно-эмиссионная томография ( ПЭТ) и др. На их основе была решена задача диагностики пораженных органов мозга путём визуализации его внутренних структур. Таким образом, как нейровизуализация, так и ЭЭГ, служат эффективными объективными методами исследования одного и того же объекта – головного мозга [4]. 1
Клиническая ЭЭГ обеспечивает диагностику функциональной активности центральной нервной системы (ЦНС), т.е. главное, что характеризует живой мозг в норме и при неврологической патологии. В свою очередь, методы нейровизуализации успешно решают вопросы диагностики органических поражений мозга. Основными задачами ЭЭГ являются исследования в области функциональных расстройств: неврологических, психических, эмоциональных, поведенческих и когнитивных нарушений, психосоматических заболеваний. Последующие исследования, например, в области вызванных потенциалов, показали, что ЭЭГ может отражать не только общее функциональное состояние мозга, но и реагирует на состояние окружающей среды: структуру зрительных образов, на сигналы от верхних конечностей и др [5]. С момента появления метода до 50 годов прошлого века клини- ческое заключение формировалось опытным врачом-клиницистом путем вербального описания формы колебания по результатам его визуального наблюдения. Однако визуальный анализ достаточно трудоемок, а его результаты субъективны. Здесь используются способности врача к запоминанию колебаний, к их визуальной оценке, к сравнению и распознаванию форм. Оценка врача состоит из двух частей: первая часть чисто описательная, вторая же («впечатления» или «диагностические впечатления») содержит диагностическую оценку записи. Когда врач «читает» ЭЭГ, он начинает с беглого просмотра записей в поисках участков активности, отклоняющейся от нормы. Затем он описывает обнаруженные типы активности и только потом переходит к диагностической оценке. Основным элементом ЭЭГ является «волна» – участок записи между двумя соседними экстремумами одного знака [6]. От недостатков визуального анализа свободны методы компью- терного анализа ЭЭГ (КЭЭГ). Под КЭЭГ понимают совокупность методов и средств съема сигналов ЭЭГ и их анализ с использованием современных вычислительных средств. Наиболее объективным и важным подразделом КЭЭГ служат методы частотного (спектрального) анализа [7]. По ЭЭГ сигналу вычисляются различные частотные характеристики: амплитудный спектр, кросс-спектр, когерентность и др. По каждой характеристике находятся обобщенные спек-
тральные показатели в частотных диапазонах α, β, γ, θ, и по ним оцениваются статистические различия спектров [8]. Отметим, что преимущественно частотный характер используе- мых в КЭЭГ математических методов отражает то обстоятельство, что начальный этап анализа ЭЭГ был связан с изучением протекающих в ней ритмических процессов. Графоэлементы ЭЭГ отличаются друг от друга не только значениями своих периодов, но и размахами потенциалов. Поэтому содержащаяся в них информация зависит не только от частоты колебания, но и от размаха регистрируемого в разные моменты времени потенциала. Как отмечают исследователи и специалисты [1], вопросы измерения амплитуды колебаний находятся за пределами КЭЭГ. Например, современный электроэнцефалограф « Энцефалан-131-03» решает эту задачу лишь в интерактивном режиме по маркеру, указанному оператором. Охарактеризуем в соответствии с работой [3] состояние пробле- мы анализа ЭЭГ в 70-80-х годах прошлого века. Отмечается два принципиально различных подхода к задаче. Первый – это спектральный. Предполагается, что ЭЭГ является стационарным процессом или изменяется очень медленно на интервале порядка 30 с. В этих условиях при спектральном анализе теряется мелкомасштабная временная структура ЭЭГ. Второй метод – это анализ отдельных волн, т.е. нестационарностей в ЭЭГ. Элементарным фрагментом здесь является одиночная волна, описываемая набором графоэлемен- тов. Анализ осложняется тем, что одиночная волна рассматривается в отрыве от контекста. Структурный подход к распознаванию ЭЭГ. Кроме достаточ- но полно исследованной задачи распознавания образов, в последние годы появились работы по структурному описанию изображений [9]. При распознавании образов имеют в виду, что каждому изображению объекта поставлена в соответствие точка в некотором пространстве. Объекты одного класса в этом случае соответствуют компактному множеству таких точек. Далее необходимо построить решающее правило, в соответствии с которым вновь появляются точки, относящиеся к тому или иному образу. Другой задачей является сжатие описания одного класса изоб- ражений. Такая задача характерна при компактном кодировании и
Доступ онлайн
В корзину