אלקטץואנצפלוגרמים (רישומי EEG) נושאים גם אותות קוגניביים עצביים וגם ףעש בתדר של 50 או 60 הרץ ממערכות חשמל סמוכות. מכיוון שהפרעה אלקטרומגנטית זו עלולה לעוות את הנתונים העצביים, חוקרים משתמשים לעתים קרובות במסנן חסימה צר (notch filter) — מסנן חסימת פס צר המשתיק את התדר הספציףי הזה, בעוד שהוא משאיר את שאר טווח תדרי ה-EEG ללא שינוי.
מהו מסנן חריץ (Notch Filter)?
מסנן חריץ הוא מסנן לעיבוד אותות שמחליש באופן חזק טווח צר של תדרים, תוך שהוא מאפשר לתדרים מתחת ומעל לטווח זה לעבור בשינוי קטן יחסית. האזור הנחסם נקרא פסק החסימה (stopband), ומרכזו נקרא לעיתים קרובות תדר החריץ (notch frequency). מכיוון שפסק החסימה הוא צר, המסנן מיועד להפרעה מרוכזת וידועה, ולא לרעש רחב-ספקטרום.
ב-EEG, המרכיב המפריע הוא לרוב זיהום מרשת החשמל המוחדר דרך סביבת ההקלטה, הכבלים, המגברים או הבדלי עכבה של האלקטרודות. מסנן חריץ יכול להפחית רכיב בולט של 50 Hz או 60 Hz, בהתאם לתקן החשמל המקומי ותנאי ההקלטה. הוא אינו מסיר כל מקור של ארטיפקט (הפרעה), ואינו מבחין בין רעש חשמלי לפעילות מוחית לפי משמעות; הוא פועל על תוכן התדר.
כיצד מסנן חריץ פועל (ומה הוא לא עושה)
מסנן חריץ פועל על ידי יצירת ירידה חדה במה שמהנדסים מכנים תגובת ההגבר של המסנן, שהיא פשוט גרף המציג כמה המסנן מאפשר לכל תדר לעבור דרכו.
במרבית התדרים, התגובה נשארת קרובה לעוצמה מלאה, כלומר האות עובר ללא שינוי. בתדר היעד, בדרך כלל 50 או 60 הרץ, התגובה יורדת בחדות, ומחלישה את פס התדרים הזה תוך השארת התדרים השכנים ללא פגע כמעט. התוצאה, להלכה, היא אות נקי שבו זמזום קו החשמל נעלם אך התנודות של המוח עצמו נשארות.
מה שמסנן חריץ לא עושה חשוב לא פחות. הוא אינו מסיר ארטיפקטים לשימוש כללי.
זיהום רחב-פס, כגון פעילות שרירים המתפשטת על פני טווח רחב של תדרים במהלך הידוק הלסת, או סטיות גדולות הנגרמות על ידי מצמוצי עיניים, עוברים ישירות דרך מסנן חריץ מכיוון שזיהום זה אינו מוגבל לפס צר.
מסנן החריץ גם אינו מבצע פירוק ספקטרלי. הוא אינו מפרק את האות למקצבים המרכיבים אותו כפי שעושה ניתוח זמן-תדר כאשר חוקרים רוצים לראות כיצד העוצמה בפסי תטא, אלפא או בטא משתנה לאורך זמן. מסנן חריץ פשוט מסיר פרוסה צרה אחת של תוכן תדר ומשאיר את שאר המבנה הספקטרלי בדיוק היכן שהיה.
יסודות תכנון מסנן חוסם פס (Band Stop Notch Filter)
תכנון חוסם פס מתחיל בהגדרה ברורה של התדר הלא רצוי וכמות הספקטרום השכן שניתן להקריב. חריץ שמרכזו ב-60 Hz עם רוחב פס צר מאוד מתנהג בצורה שונה ממסנן שמחליש 55–65 Hz. הבחירה המתאימה תלויה ביציבות ההפרעה, רוחב הפס של האות, תדר הדגימה והשאלה המדעית או הקלינית.
מקדם האיכות, הנכתב בדרך כלל כ-Q, מבטא את הקשר בין תדר המרכז לרוחב הפס. למסנן בעל Q גבוה יש פסק חסימה צר ביחס לתדר המרכז שלו; תכנון בעל Q נמוך יותר משפיע על אזור רחב יותר. הנחתה גדולה יותר ומעברים חדים יותר עשויים לדרוש סדר מסנן גבוה יותר, אך סדר גבוה יותר יכול גם להגביר תנודות (ringing), עלות חישובית ורגישות לפרטי המימוש.
את מפרטי התכנון מומלץ להעריך הן דרך התנהגות בתחום התדר והן בתחום הזמן. גרפי תדר חושפים הנחתה, רוחב פס ואדוות פס-מעבר, בעוד שתגובות הלם או מדרגה מראות תנודות והתנהגות מעבר. עבור EEG, יש לשקול שיפור לכאורה בספקטרום לצד מורפולוגיית צורת הגל, תזמון אירועים וכל חילוץ מאפיינים בהמשך התהליך.
מסנן חריץ לעומת מסנן חוסם פס: מה ההבדל?
מסנן חריץ מובן בדרך כלל כגרסה צרה של מסנן חוסם פס (band-stop filter). שניהם מחלישים תדרים בתוך פסק חסימה ומעבירים תדרים מחוצה לו, אך החריץ בדרך כלל מכוון לתדר ספציפי ומבודד או למרווח קטן מאוד.
מסנן חוסם פס רחב יכול להתאים כאשר ההפרעה תופסת אזור רחב יותר ומוגדר היטב. חריץ הוא שמרני יותר כאשר המטרה היא להסיר רכיב קו בודד תוך שמירה על פעילות סמוכה. ב-EEG, שמרנות לכאורה זו אינה מייתרת את הצורך בבחינה, מכיוון שמסנן צר עדיין יכול להשפיע על הרמוניות, פאזה או הערכות ספקטרליות סביב היעד.
ההשוואה הבאה מסכמת את ההבחנה הטיפוסית. ההתנהגות בפועל תלויה במפרט המסנן ובמימושו, כך שהתוויות אינן צריכות להחליף בחינה של עקומת התגובה.
תכונה | מסנן חריץ | מסנן חוסם פס רחב | השלכה טיפוסית ל-EEG |
|---|---|---|---|
רוחב פסק החסימה | צר | רחב יותר | חריץ בדרך כלל משמר יותר תדרים סמוכים |
יעד עיקרי | תדר קו אחד או מרווח קטן | טווח תדרים מוגדר | היעד צריך להתאים להפרעה הנצפית |
מקדם איכות (Q) | לרוב גבוה | לרוב נמוך יותר | Q גבוה יותר יכול להפחית עיוות בפס השכן |
שימוש נפוץ | זמזום רשת החשמל או טון תהודה | הפרעה רחבה או פס לא רצוי | הבחירה תלויה בארטיפקט ובשאלת המחקר |
ההבדל המעשי הוא אפוא מידת הסלקטיביות. מסנן חריץ אינו בטוח יותר באופן אוטומטי, ומסנן חוסם פס רחב אינו מוגזם באופן אוטומטי; יש לשפוט כל אחד מהם מול מאפייני האות החשובים להקלטה.
שימוש במסנן חריץ בעיבוד אותות EEG
אותות EEG מכילים תנודות מתח באמפליטודה נמוכה המיוצרות על ידי פעילות עצבית מבוזרת, לצד ארטיפקטים פיזיולוגיים וסביבתיים. ניתן להשתמש במסנן חריץ במהלך עיבוד מקדים כאשר שיא ספקטרלי צר תואם להפרעות מרשת החשמל.
זוהי פעולה אחת בתוך זרימת עבודה גדולה יותר שיכולה לכלול:
ייחוס מחדש (Rereferencing)
הערכת ערוצים פגומים
תיקון ארטיפקטים
סגמנטציה
טיפול בקו הבסיס (Baseline)
לתזמון הסינון יש חשיבות. החלת מסנן לפני חלוקה לתקופות (epoching) עלולה לייצר אפקטי קצה בגבולות ההקלטה הרציפה, בעוד שהחלתו בנפרד על תקופות קצרות עלולה ליצור תגובות מעבר ותגובות תדר שונות.
חוקרים גם מבחינים בין עיבוד לא-מקוון (offline) לעיבוד בזמן אמת: שיטות לא-סיבתיות או בעלות פאזה אפס עשויות להיות מעשיות עבור נתונים מאוחסנים, אך לא ניתן להשתמש בהן באותו אופן כאשר יש לקבל החלטות באופן מיידי.
יש להעריך חריץ מול מטרת הניתוח. הוא עשוי להיות סביר להפחתת שיא תדר-קו יציב, אך הוא אינו יכול לתקן תנועת אלקטרודות, פעילות שרירים, תנועות עיניים, מגע גרוע או רעש מגבר רחב-פס. הקשר הקלטת ה-EEG, ההרכבה (montage), הייחוס (reference), קצב הדגימה ופרופיל הארטיפקטים משפיעים כולם על השאלה האם מסנן תדרים צר הוא אינפורמטיבי או מטעה.
תדרי מסנן חריץ נפוצים (50Hz ו-60Hz)
תדרי החריץ המוכרים ביותר ב-EEG הם 50 Hz ו-60 Hz, התואמים בקווים כלליים למערכות החשמל האזוריות. היעד הנכון נקבע על פי סביבת ההקלטה, ולא על פי העדפה אוניברסלית. ספקטרום יכול להראות איזה רכיב קו נוכח, אם כי הרמוניות והפרעות ספציפיות לציוד עלולות לסבך את התמונה.
הגדרה של 50 Hz או 60 Hz עשויה להשפיע גם על הרמוניות בכפולות של תדר היסוד, בהתאם למסנן או למערכת הרכישה. מסנן שמרכזו בתדר היסוד אינו בהכרח מבטל כל הרמוניה, אלא אם כן מטופלים בתדרים אלה בנפרד או שהמערכת מתעדת התנהגות של דחיית הרמוניות. הסרת הרמוניות יכולה לשנות עוד יותר את תוכן האות ויש להתייחס אליה כבחירת עיבוד מפורשת.
התדרים שלהלן הם נקודות ייחוס נפוצות ולא מרשם מלא. הם מתארים את הסיבה הרגילה לבחירת כל יעד ואת האזהרה העיקרית הקשורה אליו.
תדר יעד | מקור נפוץ | אזהרה עיקרית |
|---|---|---|
50 Hz | הפרעות רשת באזורים המשתמשים בחשמל של כ-50 Hz | עלול לחפוף לתוכן אות עצבי או טכני בתדר גבוה |
60 Hz | הפרעות רשת באזורים המשתמשים בחשמל של כ-60 Hz | הגדרה אזורית שגויה עלולה להשאיר את הארטיפקט ללא שינוי |
100 Hz | הרמוניה שנייה של 50 Hz או רכיב קו שנצפה בנפרד | הסרתו עלולה להשפיע על ניתוחים של פעילות בתדר גבוה יותר |
120 Hz | הרמוניה שנייה של 60 Hz או הפרעת ציוד קשורה | יש לאמת את השיא הספקטרלי לפני הסינון |
יש לתעד ערכים אלה יחד עם מיקום הרכישה, רוחב הפס של המסנן, ההנחתה, והאם נכללו הרמוניות. דיווח על "סינון חריץ" בלבד מקשה על הפרשנות והשחזור בשלב מאוחר יותר.
טעויות נפוצות בעת החלת מסנן חריץ
הטעות השכיחה ביותר היא התייחסות למסנן חריץ כאל שלב ניקוי לכל מטרה. למסנן צר יש יעד ספציפי, ולכן הוא צריך להיות קשור למקור הפרעה נצפה או מוצדק היטב. אם הארטיפקט אינו יציב, רחב או נשלט על ידי תופעות מעבר, חריץ קבוע עשוי לספק תועלת מוגבלת תוך שינוי האות.
טעות נוספת היא התעלמות מהקשר בין הסינון לשאר שלבי העיבוד המקדים. שינויי ייחוס, דגימה מחדש, גבולות תקופה ודחיית ארטיפקטים יכולים כולם להשפיע על הספקטרום הנראה.
מסנן המוחל מבלי לבדוק את ההקלטה הגולמית ופרמטרי הרכישה שלה עלול להסתיר בעיה שהיה עדיף לטפל בה באמצעות תחזוקת אלקטרודות, מיסוך, הארקה או בדיקת איכות הערוצים.
רצף בדיקה קומפקטי יכול לעזור לשמור על החלטה הניתנת לביקורת:
בדקו את הספקטרום הלא מסונן ואת צורת הגל לאיתור רכיב הפרעה יציב וצר.
אשרו את תדר רשת החשמל המקומית ואת הגדרות הדגימה והמסנן של מערכת ההקלטה.
השוו רוחבי פס מועמדים באמצעות הנחתה ספקטרלית וצורות גל בתחום הזמן.
רשמו את סוג המסנן, הסדר שלו, תדר המרכז, רוחב הפס, מצב הפאזה ושלב העיבוד.
הסיכון לעיוות אות
חוקרים מציעים כי מסנן החריץ, למרות היותו בשימוש נרחב, נושא עמו "סיכון לעיוותי אות חמורים פוטנציאליים."
כדי לבדוק זאת, מחקר משנת 2019 בנה אותות בדיקה סינתטיים וכן עבד עם הקלטות EEG ו-MEG אמיתיות, כולל נתוני EEG שנאספו בסביבה לא ממוסכת שבה רעש קו החשמל היה חזק במיוחד. באמצעות מסנן חריץ מסוג Butterworth, תכנון מסנן IIR נפוץ, הם מצאו כי רעש הקו הוסר ביעילות. ההפרעה ב-50 או 60 הרץ נעלמה מספקטרום התדרים כצפוי. אך אותו תהליך סינון הציג עיוותים בתחום הזמן, כלומר צורת גל האות לאורך זמן השתנתה בדרכים שחרגו מעבר להסרה הפשוטה של התדר הלא רצוי.
כאשר אותן בדיקות הורצו באמצעות אינטרפולציית ספקטרום במקום זאת, השיטה תאמה את יכולתו של מסנן החריץ להסיר רעשי קו, אך המחקר מדווח כי היא הראתה "פחות עיוותים בתחום הזמן במצבים נפוצים רבים."
היתרון לא היה אוניברסלי או מוחלט. הוא הופיע במצבים נפוצים רבים, מה שמותיר מקום למקרים שבהם שתי השיטות עשויות לתפקד בצורה דומה יותר, או שבהם גורמים אחרים עשויים לשנות את התוצאה.
מדוע הסרת רעשי קו חשמל מ-EEG ראויה ליותר מפתרון ברירת מחדל
מסנן חריץ מספק דרך מדויקת להחליש רכיב תדר צר, מה שהופך אותו לרלוונטי להקלטות EEG המושפעות מהפרעות רשת יציבות. התועלת שלו תלויה בזיהוי תדר מדויק, רוחב פס מתאים, מודעות לאפקטים של פאזה וקצוות, והשוואה לאות הלא מסונן.
בשימוש כשלב מתועד אחד בתוך פרקטיקות רחבות יותר של איכות אות ועיבוד מקדים במערכי מדעי המוח, הוא יכול להפחית הפרעות מבלי להשליך מידע שכן ללא צורך.
מקורות
Leske, S., & Dalal, S. S. (2019). Reducing power line noise in EEG and MEG data via spectrum interpolation. NeuroImage, 189, 763–776. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.01.026
שאלות נפוצות
מהו התפקיד העיקרי של מסנן חריץ בהקלטות EEG?
מסנן חריץ הוא מסנן חוסם פס צר המדכא תדר ספציפי אחד — בדרך כלל זמזום קו החשמל של 50 או 60 Hz — תוך שמירה על שאר ספקטרום ה-EEG. הוא מכוון אך ורק לרעש חשמלי זה בתדר קבוע, ולא לארטיפקטים רחבי-פס כמו פעילות שרירים או מצמוצי עיניים.
מדוע מסנני חריץ של 50 Hz ו-60 Hz נפוצים?
תדרים אלה תואמים בקווים כלליים לתקני זרם החילופין של רשתות החשמל המשמשים באזורים שונים. הפרעה חשמלית מסביבת ההקלטה יכולה להופיע כרכיב קו בולט באחד מהתדרים הללו ולעיתים גם בהרמוניות שלו.
מדוע לא פשוט להשתמש בניתוח רכיבים עצמאיים (ICA) כדי להסיר רעשי קו?
ICA מפריד אותות מקור שונים בין אלקטרודות, ולא פסי תדרים ספציפיים, ולכן אינו מיועד להתמקד בסינוסואיד יחיד בתדר קבוע כמו זמזום קו חשמל. מסנן החריץ נותר הכלי הסטנדרטי מכיוון שהוא מחליש ישירות את התדר הבודד הזה, בעוד ש-ICA עשוי שלא לבודד את רעש הקו כמקור נפרד.
אילו סוגי עיוות אות נצפו ישירות עם מסנני חריץ?
מחקר שהשתמש הן באותות סינתטיים והן בנתוני EEG אמיתיים מצא שמסנן חריץ Butterworth עלול להחדיר עיוותים בתחום הזמן, ולשנות את צורת הגל מעבר להסרה הפשוטה של הזמזום. עיוותים אלו תועדו כחמורים פוטנציאלית, אם כי ההשפעה המדויקת על מדדים עצביים ספציפיים כמו ERPs לא נבחנה באותו מחקר.
מהי הדרך הבטוחה ביותר להשתמש במסנן חריץ אם חייבים להשתמש בו?
אם מיושם מסנן חריץ, פרמטרים מתונים יותר — כגון רוחב פס רחב מעט יותר והנחתה פחות תלולה — עשויים להפחית את הסיכון לתנודות יתר בתחום הזמן, אם כי הנזק המדויק לניתוחים בהמשך התהליך לא כומת בנתונים שנבחנו. כמו כן, מומלץ להשוות חזותית בין עקבות גולמיים ומסוננים ולתעד כל שלב עיבוד מקדים כדי לאתר עיוותים בלתי צפויים.
האם מסנן חריץ יכול להסיר פעילות מוחית אמיתית?
כן. אם פעילות עצבית משמעותית חופפת לתדר היעד או לרוחב הפס המושפע שלו, הסינון יכול להפחית פעילות זו. אפשרות זו רלוונטית במיוחד בעת ניתוח מקצבים בתדרים גבוהים יותר או הרמוניות הקרובות לחריץ.
Emotiv היא מובילה בתחום הנוירוטכנולוגיה המסייעת לקדם מחקר במדעי המוח באמצעות כלי EEG נגישים וכלי נתוני מוח.
כריסטיאן בורגוס
