Локальный пространственный анализ ЭЭГ-сигналов с помощью лапласиановского монтажа

Цели. Одной из актуальных задач, возникающих при регистрации сигналов мозговой активности с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), является уменьшение влияния помех (артефактов). В данном исследовании рассматривается один из способов решения данной задачи с помощью дифференциального оператора Лапласа. Цель работы - определение количества электродов, входящих в лапласиановский монтаж, а также выяснение требований к геометрической форме их расположения для обеспечения наилучшего качества обработки сигналов ЭЭГ.Методы. Метод лапласиановского монтажа основывается на использовании отдельных электродов для определения второй производной сигнала, которая пропорциональна электрическому току в соответствующей точке поверхности головы. Этот подход позволяет оценить потенциал нейронной активности источника, находящегося в малой области, ограниченной комплексом электродов. При использовании небольшого количества равноудаленных электродов вокруг целевого электрода при лапласиановском монтаже удается получить значительно более качественный сигнал из области, находящейся под электродным комплексом. Результаты. Для всех рассмотренных в статье способов построения лапласиановского монтажа, было показано, что комплекс, состоящий из 16 + 1 отдельных электродов, является наиболее предпочтительным для использования. Выбор схемы 16 + 1 обусловлен наилучшим компромиссом между качеством обработки сигналов ЭЭГ и сложностью изготовления электродного комплекса при заданных геометрических параметрах. Оценка качества проводилась моделированием сигнала помехи, с помощью чего удалось оценить правильность выбора схемы построения монтажа.Выводы. Установлено, что применение метода лапласиановского монтажа способно значительно уменьшить влияние артефактов. С помощью предложенной схемы монтажа обеспечивается высокий уровень подавления помеховых сигналов, источники которых находятся далеко за пределами проекции электродного комплекса. Однако не все помехи, источники которых лежат в глубине мозга, могут быть эффективно подавлены с помощью одной лишь схемы лапласиановского монтажа. Необходимо использовать различные цифровые методы обработки сигналов, учитывающие их статистические свойства.

Objectives. One pressing problem when recording brain activity signals by electroencephalography (EEG) is the need to reduce the effect of interference (artifacts). This study presents a method for resolving this problem using the Laplace differential operator. The aim is to determine the number of electrodes included in the Laplacian montage, as well as to clarify the requirements for the geometric shape of their placement, in order to ensure the best quality of EEG signal processing.Methods. The Laplacian montage method is based on the use of individual electrodes to determine the second derivative of the signal, proportional to the electric current at the corresponding point on the surface of the head. This approach allows the potential of neural activity of the source located in a small area limited by the electrode complex to be evaluated. By using a small number of equidistant electrodes placed around the target electrode, the Laplacian montage can produce a significantly higher quality signal from the area under the electrode complex.Results. Among all the methods for constructing the Laplacian montage discussed in the article, a complex consisting of 16 + 1 electrodes was shown to be preferable. The choice of the 16 + 1 scheme was determined by the best compromise between the quality of EEG signal processing and the complexity of manufacturing the electrode complex with given geometric parameters. The quality assessment was carried out by simulating the interference signal which allowed the correctness of the choice of installation design to be evaluated.Conclusions. The use of the Laplacian montage method can significantly reduce the effect of artifacts. The proposed montage scheme ensures a good suppression of interference signals, the sources of which are located far beyond the projection of the electrode complex. However, not all interference arising from sources deep inside the brain, can be effectively suppressed using the Laplacian montage scheme alone.