脳波計に用いられているサンプリング周波数の意味

2021.08.03

生体現象測定記録・監視用機器

脳細胞から発せられる微弱な電気反応から、脳の状態を判別する検査機器・脳波計。現在の医療現場においてはデジタル式が主流となり、それに伴って装置の設定値の1つであるサンプリング周波数が重要な部分に位置付けられるに到りました。そこにはどのような背景があるのか見ていきたいと思います。

脳波計による検査方法とデジタル変換の必要性

人間の脳は膨大な数に及ぶ神経細胞の繋がりによって成り立っています。これら細胞間で電気的な信号の授受が行われ、それが脳活動の基となっていることが解明されてきました。この脳に生じる電気反応を電位差として検知する医用機器が脳波計です。

電位差として得られたデータは、縦方向に電位差・横方向に時間を設定した座標上に表されます。電位差データは時間変化に伴って振幅を繰り返す形状すなわち波形として表され、そのため脳波と呼ばれるわけです。

波形は1秒間に振幅が何回生じているかを示す周波数(単位：Hz)という指標により数値化が可能です。脳波についても、周波数の範囲の違いによって幾つかの種類に区別され、診断に用いられることになります。

脳波は、検査時に患者さんの頭部に装着した21もの電極を使って導き出されます。実際に取り付けた電極、あるいは実際の電極の位置関係から創出される仮の電極を使い、それら電極間で生じている電位(＝電圧)の差をデータとして検出することとなります。その際に用いられる電極の組み合わせについて、主に誘導法などという言い方がされます。

脳波の誘導法には主に、単極誘導、双極誘導、平均誘導法などがあります。その1つ1つについて電極の組み合わせパターンは多岐に及び、あらゆる誘導法の組み合わせを列挙すれば膨大な数に及びます。その電極の組み合わせ全てについて、検査中にリアルタイムで対応することは物理的に不可能と言えるでしょう。

その問題に対して、検出データをデジタル化することによって解決策を見出した検査機器がデジタル脳波計です。データをデジタル化して扱うことにより、誘導法に合わせて任意にデータを組み合わせるモンタージュが可能となります。これにより、あらゆる誘導法におけるあらゆる電極組み合わせパターンに対応できるわけです。

サンプリング周波数について

デジタルとは、数値に関して最小値を定めるデータの捉え方を意味します。自然界におけるあらゆる単位は、その桁を無限に小さくすることができるアナログとして捉えられます。しかしデジタルの場合アナログとは異なり、これ以上小さくすることは不可能という限界点を設定することになるわけです。

脳波計におけるサンプリング周波数は、デジタル化された波形データについて、時間軸方向の最小値を意味するものとなります。つまり、検査時に電極から得られたアナログ的な波形について、サンプリング周波数で示される最小値で区切ることによってデジタル化されることになります。

例えば、サンプリング周波数を1000Hzとした場合、1/1000秒間隔でデータを取ることになります。検査によって電極からアナログ的に検知される電位差の値について、1/1000秒ごとに数値を記録し、その1/1000秒おきに記録された電位差の値を直線で繋げていくことによって、デジタル的に波形データが再現されるというわけです。

アナログではデータの容量を無限に要してしまうこともあり、事後の再現化は不可能です。しかし、デジタルではカウントされた時点の値のみを使うことでデータが有限化され、それによって再現化が可能となります。

そういった観点から、デジタル脳波計においても、モンタージュ機能によってデータの組み合わせによる脳波の再現が可能となるわけです。これにより、あらゆる誘導法に対応でき、より精度の高い脳波判別に活かせられることになります。

サンプリング周波数が高ければ高いほど、精密な脳波が得られることになります。現在では、最低でも200Hz以上に設定されることが一般的と見做されています。