Обработка сигналов головного мозга

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 нейросенсорных 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 — врачтерапевт, 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 нормопатологической 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.