Технические характеристики усилителей ЭЭГ

Сегодня на рынке представлено достаточно много усилителей ЭЭГ. Какой усилитель выбрать и на какие характеристики стоит обратить внимание прежде всего — oб этом я и расскажу в данной заметке.

Сразу скажу, что так же как и при выборе цифрового фотоаппарата, когда не стоит ориентироваться только на максимальное количество мегапикселей, так и при выборе усилителя ЭЭГ не стоит смотреть только на максимальные значения его параметров. Например, указываемая производителем максимальная частота дискретизации (sampling rate) зачастую отображает лишь максимальные возможности устройства в части регистрации биопотенциалов, а непосредственно для регистрации ЭЭГ на приборе может выбираться режим с гораздо меньшей частотой.

Тем не менее, для тех кто не хочет вдаваться в технические детали работы усилителей я бы рекомендовал выбрать усилитель с частотой дискретизации (sampling rate) не менее 256 sps и разрешением (resolution) не менее 16 бит. Ну а для тех, кто хочет узнать что эти параметры означают и на что именно влияют, далее я расскажу чуть более подробно.

Усилители выполняют задачу, называемую аналого-цифровым преобразованием: превращением волнообразного (аналогового) сигнала обычной ЭЭГ в цифровую последовательность данных. Для этого непрерывный аналоговый сигнал заменяется последовательностью отсчётов (sample), величина которых обычно равна значению сигнала в данный момент времени. Согласно теореме Котельникова (за рубежом ее называют теоремой Найквиста) для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота таких отсчетов должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала. Частота этих отсчетов называется частотой дискретизации и в случае с усилителями ЭЭГ измеряется в сэмплах в секунду (sps).

частота дискретизации ЭЭГ
Большая часть мозговой активности происходит в диапазоне до 45 Гц, так что для тренировки в данном диапазоне вам необходим усилитель с частотой дискретизации не менее 90 sps. Однако для более точного отображения оцифрованного сигнала, а также для избежания алиасинга (когда высокочастотные составляющие помех, например гармонические составляющие тока электрической сети, могут накладываться на низкочастотный полезный сигнал ЭЭГ и искажать его) частоту дискретизации при регистрации ЭЭГ обычно выбирают больше — 256, 512 или даже 1024 sps.
Стандартной для большинства современных усилителей является частота дискретизации 256 sps. Такая частота дискретизации позволяет также регистрировать электрическую активность мышц.

Полученные при дискретизации отсчеты являются значениями разницы потенциалов между двумя электродами. И следующим шагом при оцифровке сигналов мозга является квантование полученных значений. При квантовании весь диапазон значений напряжений разбивается на конечное число интервалов. Количество уровней квантования применительно к усилителям ЭЭГ называют разрядностью или разрешением (resolution). Разрешение измеряется в битах и обозначает количество бит, выражающих амплитуду сигнала. Чем больше разрешение, тем точнее полученный цифровой сигнал соответствует аналоговому.
Обычно в усилителях ЭЭГ для кодирования сэмпла используется не менее 8 бит, чаще 12, 16 или 24. Согласно двоичной системе счисления 8-битная длина сэмплов обеспечивает 2^8 или 256 дискретных шагов напряжения. При 12-битном разрешении количество шагов возрастает до 4096, а при 16 до 65536.

Для диапазона напряжений +-1 мВ (динамический диапазон системы — dynamic range), размер шага напряжений с 8-битным разрешением будет 7.8 мкВ (2/256=0,0078), что приведет к пикселизации регистрируемого сигнала в диапазоне амплитуд до 100 мкВ (где происходит максимальная активность ЭЭГ). Это может быть улучшено увеличением чувствительности усилителя, но приведет к потере динамического диапазона и риску обрезания больших сигналов. Для того же диапазона +-1 мВ оцифрованного с 12-битным разрешением, самый маленький шаг напряжения становится более разумным 0.5 мкВ (2/4096=0,00049), давая уже адекватное разрешение напряжений с большим динамическим диапазоном.
Таким образом, учитывая что большинство методов нейрофидбэка связаны с регистрацией амплитуды сигналов в различных частотных диапазонах мозговой активности, можно говорить что большее разрешение усилителя позволяет точнее передавать значения амплитуд программе, которая будет точнее реагировть на происходящие в мозгу процессы и точнее давать обратную связь в процессе тренировки.

Еще одной характеристикой важной для точной записи регистрируемого сигнала является входное сопротивление, которое является мерой того, насколько точно усилитель может измерять электрический потенциал без внесения искажений. Поскольку сопротивление сенсоров не равно нулю, важно иметь высокое входное сопротивление для того чтобы можно было получить точный незашумленный сигнал. Обычно усилители ЭЭГ имеют входной импеданс не менее 1 ГОм (10^9 Ом), что обеспечивает достаточную точность измерения даже с электродами имеющими контактное сопротивление более 20 кОм.

В следующей заметке я постараюсь сделать краткий обзор наиболее популярных усилителей начального уровня.

Обзор усилителей начального уровня для нейрофидбэка

Добавить комментарий

Имя
E-mail
Сайт