Hova földelünk, mikor agyi jeleket mérünk?

Nos  a földelés kérdése meglehetősen bonyolult, mint azt a Mézga család rajzfimsorozatból is megtudtuk, ahol a legjobb földet Blöki füle adta. 

Az első fontos dolog amit tudni kell, hogy potenciált csak két pont között tudunk mérni. Ha a potenciál mérőnk egyik végét bedugjuk valahova, a másik vége meg lóg a levegőben, akkor semmilyen értelmes eredményt nem tudunk kapni. MIndig csak potenciál különbséget lehet mérni, a különbséghez meg két helyen kell mérni. Azaz két elektródát két helyre...

Ettől egyszerűbb is meg bonyolultabb is lesz az életünk egyszerre. Egyszerűbb, mert ha jó helyre tesszük az egyik elektródánkat (akit kikiáltunk földnek, hogy mi az. lásd iziben), akkor sok kellemetlen elektromos zajtól megszabadulhatunk. Bonyolultabb pedig azárt, mert sosem abszolút potenciál értéket mérünk, hanem mindig valakihez viszonyítunk. Ha a viszonyítási pontunk (feszültségünk) mozog, akkor nehéz értelmezni mit látunk.

Ha két elektrofiziológus találkozik, nagy eséllyel arról fognak beszélgetni órák hosszat, kinek mi a földelési technikája, és hogy az épp most működik-e, vagy nem? Hasonlóan a kismamákhoz, akik gyermekük székletéről és hihetetlen szellemi képességeiről tudnak vég nélkül beszélgetni.

Világosodjunk meg először is abban a témban, hogy mi az a föld, a földelés? Ha egy egyszerű rendszer, pl egy elem feszültségét akarjuk megmérni, akkor viszonylag egyszerű két mérési pontot választani, az elem két pólusát. De mi van ha rendszerünk bonyolult, tele van elágazásokkal és elektronius elemekkel. A mérnökök arra jutottak, hogy ki kell választani egy pontot, és ehhez kell viszonyítani a mért feszültségeket. Praktikus, ha a rendszert tápláló, feszültséget adó elem, táp, stb. negatív pólusát tekintjük ennek a hivatkozási pontnak, mert akkor ami ennél pozitívabb ott pozitívat, ami ennél negatívabb ott negatívat fogunk mérni.  Egy kapcsolási rajzot rajzolhatunk úgy, hogy alul fut  a negatív drót és attól felfelé fut a pozitív, a kettő között pedig az elektronikai elemek. Az alsó a földhöz közelebb van, legyen ez a föld :)

De nem csak ezért hívják földvezetéknek az egyik drótot. Ha azt karjuk, hogy két elektromos szerkezet jól é biztonságosan tudjon együttműködni, akkor biztosítani kell, hogy közös potenciál-nyelven beszéljenek. Ezt úgy lehet elérni, hogy mindkettőnek az alapját, megegyezés szerint a negatív potenciálú drótját, összekötjük, mert ettől kezdve ezek közös potenciálon lesznek és a rendszerek pozitív elemeinek értelmezhető lesz az értéke.

Ha sok kütyünk van kicsit bonyolult mindnekit egymáshoz kötni (bár egy elektrofiziológiai labor vagy egy számítógép szerverszoba mutatja, hogy lehetséges), jóval egyszerűbb ha mindnekit egy nagy közös, könnyen elérhető ponthoz, a Földhöz kötünk! Ezt hívjuk referencia földnek és nem keverendő össze a védő földeléssel, aminek más a szerepe.

Amikor két elektromos kütyüt összekötünk, pl HDMI, USB vagy RCA kábellel akkor a dugók külső részé na legmasszívabb fémköpenhez van kötve a föld, ahhoz képest mennek a jelek a többi dróton.

A Föld persze csak akkor jó föld, ha jó a vezetőképessége, azaz a felépülő feszültségek kis ellenálláson keresztül jól el tudnak folyni és ezéltal a földelt dolgok gyorsan azonos potenciálokra kerülnek. Egy komoly referencia föld elkészítése alapos meló, sokba kerül. Le kell ásni egy fémhálót a földbe jó mélyen, hogy érintkezzen a talajvízzel ami jól vezeti az áramot. Mindeközben arra is vigyázni kell milyen fémekből állnak a vezetékek, mert csatlakozásuknál galván elemek képződhetnek, amik belekavarnak az egészbe. Érzékeny elektronikai rendszereket használó intézményekben külön, precízen leföldelt földhálózatot építenek ki.

A Macska-jaj címú korszakalkotó filmalkotásban volt egy jelente, amikor meg kellett locsolni a vilanypóznát, hogy jó legyen a telefonvonal. Ez nem vicc, valóban komoly, fizikán alapuló észrevétel. Ha a föld vizes jobba vezeti az áramot és a föld felé jobban földelődik a jel. 

Az agyi jeleket mérő elektrofiziológusoknak jobb esetben millivoltokat (egész sejt intracelluláris elvezetés), rosszabb esetben mikrovoltokat (koponyatetői EEG, mezőpotenciál elvezetés, single unit elvezetés) kell mérnie. Sajnos a nagyfeszültségű elektromos hálózat (anyira azért nem nagy, 240V), ami épületeinket behálózza és műyzereinket eteti komoly zajforrás. A drótokban rezonáló 50Hz-es áram, 52Hz es elektromágneses hullámokat bocsájt ki, ami egy vezetőben (pl. egy mérőműszer drótja) 50Hz-es feszültségingadozást kelt. Ami ugyan nem nagy, de összemérhető a biológiai jelek méretével és ezért egy elektrofiziológus számára nagyon zavaró. De az elektromos zajoknak más fajtái is vannak. Egy kapcsoló átbillentésekor keletkező szikra, egy fénycső bekapcsolása, vagy egy LED fényforrás nagy frekvenciájú (nekünk láthatatlan) ki-be kapcsolása mind eltérő zajokat  produkál. 

Ha rosszul helyezzük a két feszültségmérő végpontot akkor ezek bizony mind látszani fognak méréseinkban és találgathatunk mi a jel és mi a zaj. A periodikus 50Hz-es zajt viszonylag egyszerű utólag kiszűrni, de a szabálytalan zajokkal nehéz boldogulni.

Mi a megoldás? 

Ha a külső zajoktól meg akarunk szabadulni, akkor érdemes a mért rendszer földelését és a mérő elektródát egymáshoz közel tenni, mert a külső zajok erőssége és alakja a tér egymáshoz közeli potjain egyforma, távoli pontjain pedig eltér egymástól. Ha közel a két pont, akkor mindkettőn egyszerre változik a zaj és mivel különbséget számolunk, bármekkora is a zaj, ha értékük közeli, különbségük közel zérus. Azaz, ha egy túlélő szeletpreparátumból mérünk, akkor a szeletfenntartó kamra tápoldatába teszünk egy földelő elektródát, és ehhez képest mérjük az idegsejtek vagy a mezőpotenciál jeleit. Ha élő állatból vezetünk el, akkor általában a koponyacsontba erősített csavarra földelünk, ehhez képest mérjük a potenciálokat. De pl. ilyenkor ha az állat elkezd rágcsálni, a rágóizmok elektromos potenciáljai nem egyformán kerülnek rá a földelésre és a mérő elektródára (mivel a közelből erednek és térben gyakran változnak) és az izompotenciálok belekeverednek a mért jelbe.

Ugye valami olyan pontra kell tenni a földelést, amitől nem várjuk el, hogy saját jelet produkál, hiszen ez vonódik ki a mérőelektróda jeléből. Ezért választjuk a koponyacsontot vagy tápoldatot, nem pedig egy agyterületet vagy egy idegsejtetet a szeletben. Mert ha a referencia elektródánk az egyik idegsejtben van a méró meg egy másikban akkor mért különbségből nem tudjuk eldönteni melyik idegsejtből származik a jel.

Ha jó helyen van a referencia elektródánk akkor aztán tetszőleges számú mérőelektródát viszonyíthatunk hozzá.

Az emberi agyat vizsgáló EEG elvezetések esetében még ennél is bonyolultabb a helyzet. Egyrészt nem illik a vizsgált személy koponyájába csavarokat hajtani, hogy arra, mint indifferens pontra földeljünk, másrészt a vastag emberi koponyán és hajon keresztül már csak mikrovoltok szivárognak ki. Azaz a sokcsatornás emberi, klasszikusan klinikai EEG vizsgálatok esetében azt a megoldást választották, hogy az egyik elektródát tekintik referencia pontnak és a többit ehhez számítják. Ez az EEG masinákon állítható és az EEG elvezetésekre rávezetik, hogy melyik elektródát használták referencia pontnak. Ennek az előnye az hogy viszonylag jól el lehet tüntetni a külső zajokat. Hátránya, hogy beavatott tudás kell az EEG eredmények kiértékeléséhez, hiszen minden csatorna jeléhez negatív előjellel hozzáadódik a referencia csatorna jele. A helyes referenciapont kiválasztásának külön tudományága és művészete van és még ezt elsajátítva is rutin és évek kellenek ahhoz, hogy valaki helyesen értékeljen egy klinikai EEG-t. Képzeljük el valaki epilepsziás gócot keres, ami egy elektróda alatt ad jelet. Ha történetesen ez a referencia elektródánk alatt van, akkor az epilepsziás jel minden csatornán megjelenik. Ezt persze egy rutinos elektrofiziológus észreveszi, de azért egy csomó jel értelmezése meglehetősen nehézkes. Itt egy példa látható mi történik ha rossz referencia elektródát választunk.

Vannak még más megoldások is zajtalanításra. Például a mérőrendszert egy Faraday-kalitkába kell helyezni, azaz körül kell venni egy földelt fémhálóval, mert az nem engedi át az elektromágneses hullámokat. Klinikai EEG szobákba "gyárilag" építenek ilyet. Glettelés és festés előtt a szoba falait rézhálóval tapétázzák. Másik megoldás, a kábeleket kívúlről egy földeléssel körbevenni, ilyenek a magas frekvenciás jeleket továbbító kábelek, pl a kábeltévé drótja vagy az oszcilloszkópok és erősítők RCA kábelei (ne, feltétlenü őket védik, ez a földelés a zavaró jelek kibocsájtását is megakadályozza). Egy elektrofiziológus vagy fizikus laborban az sem ritka látvány, hogy leföldelt alufólia csíkokat tekergetnek a berendezések köré. Tapasztalataim szerint ez nem áll messze hatékonyságnan a woodoo babák használatától. Néha működ9k, néha nem, a legfelháorítóbb, hogy az ember nem tudja mitől működött vagy nem.

Szerző: Gulyás Attila