Способ определения индивидуального частотного диапазона мю-ритма ЭЭГ
METHOD OF DETERMINING INDIVIDUAL FREQUENCY RANGE OF MU-RHYTHM EEG

Изобретение относится к медицине и биологии, в частности к психофизиологии и может быть использовано для исследований биоэлектрической активности мозга и при коррекции функционального состояния человека.
Одной из существующих методик расчета индивидуальной частоты мю-ритма является выделение ее значения, для которого характерна реакция максимальной супрессии (относительно исходного условия) в области соматосенсорной корковой проекции того участка тела, который подвергается сенсорной стимуляции [Gundlach С.Modulation of somatosensory alpha rhythm by transcranial alternating current stimulation at mu-frequency/ C. Gundlach, M.M.  T. Nierhaus, A. Villringer, B. Sehm // Front Hum Neurosci, 2017, V. 11, p. 432]. С данной целью производилась стимуляция слабым электрическим током указательного пальца правой руки с одновременной регистрацией ЭЭГ в отведении С3. Однако авторы не указывают ширину индивидуально выделяемого диапазона. Также, при использовании данного метода необходимо оказывать воздействие на кожу переменным электрическим током, что может вызывать затруднения при работе с детьми.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является подход, связанный с поиском относительно узкого частотного диапазона (шириной в 2 Гц) с максимальной депрессией амплитуды мю-ритма ЭЭГ при выполнении самостоятельных движений указательным пальцем, языком и артикуляции звуков речи [Tamura Т. Audio-vocal monitoring system revealed by mu-rhythm activity / T. Tamura, A. Gunji, H. Takeichi, H. Shigemasu, M. Inagaki, M. Kaga, M. Kitazaki // Front Psychol, 2012, V. 3, p. 225.] Ограничением данного способа является то, что исследуемый диапазон (8-16 Гц) выходит за пределы установленного для мю-ритма и может перекрываться у детей с бета-ритмом ЭЭГ, а также то, что осуществляются движения, не направленные на предмет.
Задачей настоящего изобретения является функциональное определение индивидуального частотного диапазона мю-ритма ЭЭГ, наиболее чувствительного к условию выполнения циклических движений с компьютерной мышью.
Способ определения индивидуального частотного диапазона мю-ритма электроэнцефалограммы (ЭЭГ) включает регистрацию ЭЭГ, ее обработку с помощью быстрого преобразования Фурье и анализ реактивности ЭЭГ в отведении С3 в частотном диапазоне мю-ритма в двух условиях: при совершении самостоятельных движений и в состоянии покоя и отличается тем, что в состоянии покоя фиксируют взгляд на видеоизображении неподвижной компьютерной мыши и совершают самостоятельные движения, заключающиеся в выполнении циклических круговых движений компьютерной мышью; осуществляют регистрацию ЭЭГ 3 раза по 30 секунд для каждого из двух условий, частотный диапазон ЭЭГ от 6 до 13 Гц разделяют на отрезки шириной в один Гц, для каждого из которых рассчитывают мощность мю-ритма, далее усредняют полученное значение мощности для каждого из условий, затем рассчитывают индекс десинхронизации (ИД) мю-ритма для каждого частотного отрезка по формуле
фон
движение
фон
ИД=(Р-Р/Р)*100%,
где: ИД - индекс десинхронизации, отражающий супрессию мю-ритма ЭЭГ;
фон
Р - усредненная мощность мю-ритма в отведении С3 в состоянии фиксации взгляда на видеоизображении компьютерной мыши;
движение
Р - усредненная мощность мю-ритма в отведении С3 при осуществлении самостоятельных движений компьютерной мышью,
далее выделяют отрезок с максимальной супрессией мю-ритма и оценивают два прилегающих к нему отрезка, величина ИД которых превышает значение 10%; при этом, если оба прилегающих отрезка соответствуют требуемому условию, выбирают тот, в котором супрессия более выражена, и после этого объединяют с отрезком, имеющим максимальную супрессию, в результате чего их общая ширина составляет 2 Гц, а если в прилегающих к отрезку с максимальной супрессией участках величина ИД составляет менее 10% или отсутствует, от каждого из них отделяют отрезок в пол герца таким образом, чтобы в сумме с центральным отрезком их ширина составляла 2 Гц, которые и считают далее индивидуальным частотным диапазоном мю-ритма ЭЭГ.
Способ расчета индивидуального диапазона основывается на выделении отрезка ЭЭГ в диапазоне от 6 до 13 Гц шириной 2 Гц, которому соответствует максимальная реакция супрессии в отведении С3 при совершении самостоятельно контролируемых движений правой рукой относительно условия зрительной фиксации на видеоизображении неподвижно лежащей на столе компьютерной мыши.
Новым является то, что в предлагаемой методике для определения индивидуального частотного диапазона мю-ритма ЭЭГ используется ситуация циклически совершаемых инструментальных движений с помощью компьютерной мыши на протяжении заданного промежутка времени. Благодаря этому становится возможным выделить наиболее чувствительный к такого рода движениям частотный диапазон мю-ритма, который демонстрирует устойчивую реакцию десинхронизации. Использование именно компьютерной мыши для выполнения движений позволяет повысить экологическую валидность данной экспериментальной методики в связи с типичностью выполняемой двигательной задачи.
Способ может быть реализован с использованием типовой аппаратуры - электроэнцефалографа, компьютера, компьютерной мыши, веб-камеры.
Способ реализуется следующим образом.
Осуществляется регистрация ЭЭГ с помощью известных методик и типовой аппаратуры в состоянии покоя испытуемого при зрительной фиксации на видеоизображении неподвижно лежащей на столе компьютерной мыши (фоновая ЭЭГ). Затем испытуемый осуществляет правой рукой круговые движения компьютерной мышью, и одновременно производится регистрация биоэлектрического сигнала. Частоты среза фильтров высоких и низких частот составляют, соответственно, 1,5 и 35 Гц, частота оцифровки ЭЭГ-сигналов - 250 Гц. Сигналы обрабатываются с помощью быстрых преобразований Фурье.
Методика расчета индивидуального диапазона основывается на анализе ЭЭГ в диапазоне от 6 до 13 Гц и выделении частотного интервала шириной 2 Гц, которому соответствует максимальная реакция супрессии в левом центральном отведении (локус С3) при совершении самостоятельно контролируемых движений правой рукой относительно условия зрительной фиксации на видеоизображении неподвижно лежащей на столе компьютерной мыши. Таким образом, индивидуальный частотный диапазон мю-ритма определяется эмпирически в соответствии с его ключевым свойством - реакцией десинхронизации в ответ на запуск и осуществление самостоятельных движений. Сравниваются усредненные мощности биопотенциалов, зарегистрированные на протяжении полутора минут (3 повтора каждой ситуации по 30 секунд), соответствующие экспериментальным ситуациям фиксации взгляда на неподвижной компьютерной мыши и самостоятельных движений. Для этого полный частотный диапазон мю-ритма разделяют на отрезки шириной в один Гц, каждый из которых оценивался с целью поиска реакции максимальной супрессии. Для этого рассчитывали падение мю-ритма по формуле:
фон
движение
где: ИД - индекс десинхронизации, отражающий супрессию мю-ритма ЭЭГ; Р - усредненная мощность мю-ритма в отведении С3 в ситуациях фиксации взгляда на видеоизображении компьютерной мыши; Р - усредненная мощность мю-ритма в отведении С3 при осуществлении самостоятельных движений компьютерной мышью.
В зависимости от индекса десинхронизации мю-ритма выбирают 1-герцевый частотный интервал с максимальной супрессией мю-ритма. Далее оцениваются два прилегающие к нему частотных интервала с целью поиска супрессии, превышающей 10%. Если оба прилегающих интервала соответствуют требуемому условию, выбирается тот, в котором супрессия более выражена. Если в обоих частотных интервалах супрессия составляла менее 10% или отсутствовала, от каждого из них брался интервал в полгерца таким образом, что в сумме с центральным их ширина составляла 2 Гц. Далее рассчитанный частотный интервал шириной 2 Гц рассматривается как индивидуальный частотный диапазон мю-ритма.
Пример 1.
Регистрация ЭЭГ осуществляется в состоянии двигательного покоя испытуемого при зрительной фиксации на видеоизображении компьютерной мыши (фоновая ЭЭГ) и при осуществлении самостоятельных круговых движений компьютерной мышью. Каждая из экспериментальных ситуаций повторяется 3 раза длительностью 30 секунд каждая. Первичная обработка ЭЭГ осуществлялась посредством преобразования Фурье. Далее, с помощью программы «EEG Mapping 3» [ Павленко В.Б., Луцюк М.В.,  Павленко О.М.  програма для запису та  електроенцефалограми з паралельним записом мови. EEG Mapping 3.0.  про авторського права на  №32317.  Дата 04.03.2010.] осуществляется анализ полученных данных. Эпохи анализа составляют 3 секунды с перекрытием 50%. В настройках ритмов задаются следующие частотные интервалы: 6-7 Гц, 7-8 Гц, 8-9 Гц, 9-10 Гц, 10-11 Гц, 11-12 Гц, 12-13 Гц. Далее рассчитывается мощность мю-ритма ЭЭГ в локусе С3 в каждом из установленных частотных интервалов для каждой экспериментальной ситуации. Рассчитанные мощности биопотенциалов, зарегистрированные на протяжении полутора минут (3 повтора каждой ситуации по 30 секунд), усредняли по каждой экспериментальной ситуации.
Полученные результаты можно представить графически (Фиг. 1).
На Фиг. 1 приведены диаграммы значений мю-ритма: усредненные значения мощностей мю-ритма в частотных интервалах: 6-7 Гц, 7-8 Гц, 8-9 Гц, 9-10 Гц, 10-11 Гц, 11-12 Гц, 12-13 Гц в состоянии покоя испытуемого при зрительной фиксации на видеоизображении неподвижно лежащей на столе компьютерной мыши (Фон) и при осуществлении круговых движений компьютерной мышью (Движение).
Далее рассчитывали индекс десинхронизации мю-ритма. В частотном интервале 7-8 Гц ИД равен 44,5%, в интервале 8-9 Гц - 74,2%, в интервале 9-10 Гц - 68,3%. Максимальное падение мю-ритма наблюдается в частотном интервале 8-9 Гц. Оба прилегающих к нему интервала демонстрируют супрессию, превышающую 10%, поэтому выбирается тот, в котором супрессия более выражена. Полученный индивидуальный диапазон мю-ритма в данном случае составляет 8-10 Гц.
Пример 2.
Регистрация и обработка ЭЭГ осуществляется аналогично примеру 1.
Затем рассчитанные мощности биопотенциалов, зарегистрированные на протяжении полутора минут (3 повтора каждой ситуации по 30 секунд), усредняли по каждой экспериментальной ситуации.
Полученные результаты можно представить графически (Фиг. 2).
На Фиг. 2 приведены диаграммы значений мю-ритма: усредненные значения мощностей мю-ритма в частотных интервалах: 6-7 Гц, 7-8 Гц, 8-9 Гц, 9-10 Гц, 10-11 Гц, 11-12 Гц, 12-13 Гц в состоянии покоя испытуемого при зрительной фиксации на видеоизображении неподвижно лежащей на столе компьютерной мыши (Фон) и при осуществлении круговых движений компьютерной мышью (Движение).
Далее рассчитывали индекс десинхронизации мю-ритма. В частотном интервале 8-9 Гц ИД равен 7,8%, в интервале 9-10 Гц - 27,5%, в интервале 10-11 Гц - 8,9%. Максимальное падение мю-ритма наблюдается в частотном интервале 9-10 Гц. В обоих прилегающих интервалах супрессия составляла менее 10%, поэтому от каждого из них выбирали интервал в полгерца таким образом, чтобы в сумме с центральным их ширина составляла 2 Гц. Полученный индивидуальный диапазон мю-ритма в данном случае составляет 8,5-10,5 Гц.
Применение предложенного метода позволяет функционально определить индивидуальный частотный диапазон мю-ритма ЭЭГ, наиболее чувствительный к условию выполнения циклических движений с компьютерной мышью. Данный способ найдет свое применение в психофизиологии при проведении исследований и в медицинской практике при создании методик коррекции состояния организма с помощью ЭЭГ-БОС.