脳波計に必要な周波数帯域とは

脳細胞の働きに付随する電気的反応を検知し、そこから導き出される脳波を用いて脳の状態を判別する脳波検査。これを行う際には、脳波計に入力される波形の周波数帯域を適切に設定することが不可欠です。どういうことなのか、基礎的な部分を踏まえながら見ていきたいと思います。

脳波とは

人間の細胞は生きている限り、その生体反応を示す電気的反応を生じさせています。脳活動も例外ではありません。無数の脳細胞から発せられる電気的反応を電位差として検知し、時間に伴う変化を記録すると波型の図として描き出されます。これが脳波です。その脳波の形状から、てんかんを始め色々な脳疾患の有無を判別することができます。

周波数と脳波の種類

脳波は、電位差を縦軸・時間を横軸とするグラフ上に表されます。波形を扱う際、横軸の時間的要素について、周波数という指標を目安とするのが主です。波形では、上昇する山部分と下降する谷部分をそれぞれ1つずつ合わせて、1つの波と見なされます。

周波数とは、その波が1秒間に幾つ現れているかという波の数を意味し、単位にはHz(ヘルツ)が用いられます。周波数によって、脳波は主に4つの種類に分けられます。周波数が大きな順に挙げると、β波(13Hz以上)、α波(8～13Hz未満)、Θ波(4～8Hz未満)、δ波(0.5～4Hz未満)、となります。

とくに疾患のない正常な成人の脳では、覚醒時の緊張状態ではβ波がメインとなる脳波が現れ、覚醒時のリラックス状態ではα波が主体となります。また、覚醒と睡眠の境界付近となるまどろみの状態ではΘ波、熟睡時にはδ波が現れます。脳波検査では、これらの波の現れ具合によって、脳の状態が判別されるわけです。

周波数帯域を設定する仕組み

脳波検査は、被験者の頭部21箇所に電極を取り付け、電極配置から導き出される区間の電位差を検出し、これを波形に表すという形式で行われます。その時、電極が検知する電位差は脳細胞に基づくものばかりとは限りません。

脳以外の器官から生じる生体電気や、環境中を行き交う電磁波などからの影響も受けることになります。検査を行うには、それらノイズに相当する要因を除去する必要があります。脳波は、グラフの縦軸に当たる電位差と、横軸の時間に関連する周波数という2つの物理量に基づいて表されます。

ノイズの除去についても、これら2つの物理量に関して行われることになります。電位差に関しては、差動増幅器によって脳波以外の電位差が除かれます。そして周波数に関しては、検査データとして扱う周波数の幅すなわち周波数帯域を定めることにより、脳波以外のものと思しき要素が抑制されることになります。

脳波の種類は、前項で見たようにβ波・α波・Θ波・δ波の4通りであり、周波数で見ると0.5～25Hz付近に相当します。その範囲からかけ離れた周波数は、脳以外の反応と見なせることになります。

脳波計において、外部からのノイズと見なされる周波数を除去する仕組みには周波数フィルターが用いられています。基本的には、設定した周波数以上を通過させるハイパスフィルターと、設定周波数以下を通過させるローパスフィルターが用いられます。

ローパスフィルターに関しては、波形読み取りに伴って発生するエイリアシングノイズ除去の観点から、データとして扱う周波数最大値の2倍以上に設定する必要があります。そう言った点を考慮して、脳波計の周波数帯域は0.5～100Hzが適切とされています。

まとめ

以上のように、脳波計には周波数に着目してノイズ除去を行う機構として周波数フィルターが用いられ、これを脳波の範囲内に設定することで脳波以外の波形が除去されることを確認しました。脳細胞の発する電気反応は非常に微弱であり、電極から検知される信号にはノイズの影響が多く含まれます。そのため脳波計においては、ノイズの処理を適切に行う機構が重要となってきます。