Способ трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы
Владельцы патента RU 2584086:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВО ИрГУПС) (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к неврологии, нейрофизиологии и экспериментальной нейробиологии. Трехмерную локализацию источников электроэнцефалограммы (ЭЭГ) осуществляют при решении обратной задачи распределения потенциалов на поверхности скальпа. При этом поиск исходной амплитуды, фазы и коэффициента затухания источника электроэнцефалограммы, представленного точечным источником экспоненциально затухающего в объеме мозга электрического сигнала, осуществляют с помощью методов нелинейной оптимизации и решения систем нелинейных уравнений. Способ позволяет повысить информативность и точность локализации, что достигается за счет представления источника ЭЭГ в виде точечного электрического сигнала, экспоненциально затухающего в объеме мозга, и использования для расчета методов нелинейной оптимизации и нелинейных уравнений. 3 ил., 1 пр.
Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к неврологии, нейрофизиологии и экспериментальной нейробиологии, и предназначено для трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы.
Известен способ трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы путем визуального анализа зарегистрированной биоэлектрической активности головного мозга. Способ не требует использования специальных математических алгоритмов, но обладает низкой информативностью, субъективен и требует специальных навыков и опыта нейрофизиолога [Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии. Москва: МЕДпресс-информ, 2002, 368 стр.].
Известен способ трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы путем использования данных об экспериментальных априорных закономерностях локализации источников электроэнцефалограммы в зависимости от особенностей анатомии и функционирования мозговых структур [Гнездицкий В.В. Обратная задача ЭЭГ и клиническая электроэнцефалография. МЕДпресс-информ, 2004, 648 стр.]. Данный способ также обладает низкой информативностью и точностью, требует использования большой базы априорных данных и не позволяет определить качественные и количественные характеристики источников электроэнцефалограммы.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы, основанный на поиске пространственного положения токового диполя и вектора его активности в объеме головного мозга, при которых максимально точно воспроизводится распределение потенциалов на поверхности скальпа [Гнездицкий В.В. Обратная задача ЭЭГ и клиническая электроэнцефалография. МЕДпресс-информ, 2004, 648 стр.]. Как правило, для решения обратной задачи поиска источников электроэнцефалограммы используются различные математические алгоритмы оптимизации и решения нелинейных уравнений. Недостатком данного способа является низкая точность и информативность, связанная с невозможностью вычисления амплитуды источников электрической биоэлектрической активности. Способ основан на предположении о дипольной природе электроэнцефалограммы, в результате чего в некоторых случаях распределения потенциалов на скальпе трехмерная локализация источников становится невозможной. В способе используются в качестве входных данных постоянно меняющиеся мгновенные значения электрического потенциала на поверхности головы, что приводит к соответствующим смещениям диполя и значительно снижает точность трехмерной локализации.
Заявляемый способ направлен на достижение технического результата, состоящего в повышении информативности и точности трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы путем поиска пространственного положения токового диполя и вектора его активности в объеме головного мозга производят поиск пространственного положения, исходной амплитуды, фазы и коэффициента затухания источников электроэнцефалограммы при решении обратной задачи распространения в трехмерной среде экспоненциально затухающего сигнала от источников электроэнцефалограммы.
Способ основан на предположении об экспоненциальном затухании амплитуды электроэнцефалограммы при объемном распространении из потенциального источника в трехмерной неоднородной среде с распределенными параметрами, которой является ткань головного мозга. Возможность вычисления исходной амплитуды и фазы источников электроэнцефалограммы повышает информативность способа.
Сущность изобретения поясняется изображениями, представленными на фиг.1-2. На фиг.1а показаны результаты трехмерной локализации источников альфа-ритма электроэнцефалограммы, полученные путем использования способа поиска пространственного положения токового диполя. На фиг.1б изображены результаты трехмерной локализация источников альфа-ритма электроэнцефалограммы, полученные предложенным способом (путем поиска пространственного положения, исходной амплитуды, фазы и коэффициента затухания при распространении в трехмерной среде экспоненциально затухающего сигнала от источников электроэнцефалограммы). Из полученных результатов видно, что предложенный способ позволяет более точно локализовать источники электроэнцефалограммы. На фиг 2. показаны результаты трехмерной амплитудной реконструкции биоэлектрической активности головного мозга в норме. Видно доминирование амплитуды электрической активности в затылочных долях головного мозга, соответствующее локализации альфа-ритма.
Способ осуществляют следующим образом.
У объекта исследования с поверхности скальпа регистрируют электроэнцефалограмму. С использованием методов Фурье анализа, преобразования Гильберта или других методов вычисляют амплитуду и фазу электроэнцефалограммы в выбранном фрагменте сигнала. С использованием методов нелинейной оптимизации и решения систем нелинейных уравнений вычисляют пространственную локализацию, исходную амплитуду, фазу и коэффициент затухания эквивалентных источников электроэнцефалограммы.
Пример.
Для трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы по нашему способу была зарегистрирована электроэнцефалограмма с поверхности скальпа у 10 практически здоровых субъектов в возрасте 18-20 лет. Исследование биоэлектрической активности мозга осуществлялось по стандартной методике (10-20%) на 19-канальном электроэнцефалографе «Энце-фалан-131-03» фирмы «Медиком МТД». Частота оцифровки сигнала 160 Гц, общая продолжительность непрерывной записи составляла не менее 6 минут. Для вычисления мгновенной амплитуды и фазы в тот или иной момент времени использовали преобразование Гильберта. С целью верификации предлагаемого способа осуществляли локализацию источников электроэнцефалограмм с использованием методов дипольной локализации и предложенными нами способ. Все вычисления выполняли с использованием стандартных функций в среде Матлаб.
Результаты проведенного исследования продемонстрировали высокие диагностические возможности предлагаемого способа. Полученные нами результаты показывают более высокую точность локализации источников электроэнцефалограммы (фиг. 1). Путем использования специальных алгоритмов оптимизации возможно проведение трехмерного картирования амплитуды биоэлектрической активности головного мозга (фиг. 2). При этом вычисленные значения исходной амплитуды и фазы полученных эквивалентных источников повышают информативность исследования (фиг. 1, 2).
Таким образом, предложенный способ дает возможность точно количественно определять трехмерную локализацию источников электроэнцефалограммы, вычислять их исходную амплитуду и фазу, а также коэффициент затухания при распространении в объемной среде, что повышает точность диагностики и определяет высокую информативность способа.
Способ трехмерной локализации источников электроэнцефалограммы при решении обратной задачи распределения потенциалов на поверхности скальпа путем поиска пространственного положения источника электрической активности, представленного эквивалентным токовым диполем, отличающийся тем, что производят поиск пространственного положения, исходной амплитуды, фазы и коэффициента затухания источника электроэнцефалограммы, представленного точечным источником экспоненциально затухающего в объеме мозга электрического сигнала.
