Количество  электродов, наложенных на поверхность  черепа должно быть не менее 8. Кроме  того, для монополярной регистрации  необходимо накладывать ушной электрод для заземления. Расположение электродов на голове осуществляют по схеме "10-20".

    Применяют 6 видов электродов, которые различаются  как по форме, так и по способу  их фиксации на голове:

• контактные накладные неприклеивающися электроды (рис.2.а), которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки (рис.2.г);
• игольчатые электроды (рис.2.б);
• приклеивающиеся электроды (рис.2.в(1-металл, 2-липкая лента, 3-электродная паста, 4-кожа));
• базальные электроды;
• пиальные электроды;
• многоэлектродные иглы.

Рис.2. Типы электродов и способы их крепления на голове. 

    Электроды не должны иметь собственного потенциала. Электроэнцефалографическая установка  состоит из электродов, соединительных проводов, электродной распределительной  коробки с пронумерованными гнездами, коммутационного устройства и некоторого количества каналов регистрации, позволяющих определенное количество независимых друг от друга процессов. При этом необходимо иметь в виду, что 4-канальные электроэнцефалографы непригодны для диагностических целей, так как позволяют выявить только грубые изменения, генерализованные по всей конвекситальной поверхности, 8-12-канальные пригодны только для общих диагностических целей – оценки общего функционального состояния и выявления грубой очаговой патологии. Только наличие 16 и более каналов позволяет регистрировать биоэлектрическую активность всей поверхности мозга одновременно, что дает возможность проводить самые тонкие исследования.

    Отведение биопотенциалов обязательно осуществляют двумя электродами, так как для  их регистрации необходима замкнутая  электрическая цепь: первый электрод → усилитель → регистрирующий прибор → усилитель → второй электрод. Источником колебаний потенциала является участок мозговой ткани, лежащий между этими двумя электродами. В зависимости от способа расположения этих двух электродов различают биполярное и монополярное отведения. С целью экономии времени (так как набор этих комбинаций на селекторе является очень трудоемким процессом) в современных электроэнцефалографах используют заранее фиксированные схемы отведений (монтажные схемы, рутинные программы и т. п.). Наиболее рациональным для осуществления топического анализа с использованием электроэнцефалографии являются следующие принципы построения монтажных схем: первая монтажная схема - биполярные отведения с большими межэлектродными расстояниями, соединения электродов в пары по сагиттальным и фронтальным линиям; вторая - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по сагиттальным линиям; третья - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по фронтальным линиям; четвертая - монополярные отведения с индифферентными электродами на ухе и по методу Гольдмана; пятая - биполярные отведения с малыми межэлектродными расстояниями с соединением электродов в пары по сагиттальным линиям и регистрации движений глаз, ЭКГ или кожно-гальванической реакции при проведении нагрузок.

    Канал электроэнцефалографа  включает в себя усилитель биопотенциалов с большим коэффициентом усиления, позволяющим усиливать биоэлектрическую активность от единицы микровольт до десятков вольт. В настоящее время чаще применяют электромагнитные вибраторы с различными методами регистрации (чернильная, штифтовая, струйная, игольчатая), которые позволяют регистрировать колебания в зависимости от параметров регистрирующего устройства до 300Гц.

    Изменение импеданса электрод – кожа при взаимодействии электродов с кожей. Опираясь на тестовый сигнал - при внесении помех в систему «электрод-кожа» получим такие зависимости:

     

Рис. 3. Влияние помех на дифференциальный тестовый сигнал. 

    Отсутствие  помех в выходном сигнале при  внесении помех в такие системы  модели, как система «электрод – кожа» и система «кабель пациента», объясняется тем, что коэффициент преобразования синфазного сигнала в дифференциальный равен нулю при любых изменениях в системе. Так как выходной сигнал образуется из уравнения Kd* спектр полезного сигнала+Kcd*спектр помех.

7. Разработка БТС.

 

    При измерении биопотенциалов, в наибольшей степени результирующая погрешность измерения определяется следующими составляющими:

• синфазные помехи от сети
• мультипликативные помехи
• дифференциальные низкочастотные помехи
• линейные искажения

    Ослабление  дифференциальных низкочастотных помех  достигается выбором материала электрода, места его расположения на теле пациента, а также выбором соответствующей полосы пропускания усилителя.

    Количественную  оценку влияния помех и искажений на качество прохождения биосигнала можно получить при исследовании биотехнической системы «усилитель - электрод – кожа» (БТС УЭК).

    Количественный  анализ БТС УЭК целесообразно  проводить с использованием электрических  эквивалентных схем замещения, позволяющих получить удовлетворительную математическую модель коэффициента передачи измерительного тракта.

    БТС ЭЭГ исследований (на аналоговых элементах) приведена в Приложении 1. Обобщенная БТС приведена в Приложении 2.

    Электрический импеданс биоткани существенно зависит от амплитуды и частоты измеряемого тока, а также от площади измерительных электродов.

    В зависимости от вида ткани выберем  наиболее подходящую схему замещения  биоткани:

Рис. 4. Схема замещения биоткани. 

    Выберем значения элементов эквивалентной схемы.  Для кожи с прилегающими тканями:

• R₁ = 77 кОм
• R₂ = 0.8 кОм
• R₀ = 1 кОм
• C₁ = 16 нФ

    На  основе имеющихся данных приведем общий  вид БТС.

Рис. 5. Общий вид БТС. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

9. Разработка функциональной  схемы входного  каскада электроэнцефалографа.

 

    Распишем  каждый блок схемы подробнее.

    Выбор элементов и расчет схемы будет  производиться в соответствии с  требованиями ГОСТ Р50267.26-95 «Частные требования безопасности к электроэнцефалографам».

 

   Рис. 7. Функциональная схема входного каскада электроэнцефалографа. 

• В качестве электродов применяем контактные накладные, не приклеивающиеся электроды, которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки.

   Качество  регистрации высокочастотных колебаний  потенциалов электрического поля мозга во многом зависит от используемых электродов. Так как вольтаж потенциалов поверхности тела очень низкий, потери на преодоление сопротивления между кожей и электродом должны быть сведены к минимуму. В связи с этим, рекомендуем площадь поверхности электродов в диапазоне 1 - 1,5 см². Электроды выбираем из серебра или из посеребренного металла, исходя из принципа их наилучшей электропроводимости.

• В системе «кабель пациента» для защиты человека от опасных напряжений, а также для исключения возникновения паразитных токов в силовых цепях и цепях управления ставим гальваническую развязку – это, соответственно, такая организация взаимодействия участков электрических цепей, при которой непосредственный контакт отсутствует.
• Инструментальный усилитель осуществляет начальное усиление сигнала ЭЭГ. Усилитель должен удовлетворять определенным требованиям:
1. Высокое входное сопротивление, чтобы не нагружать источник сигнала.
2. Входные цепи должны обеспечивать защиту пациента.
3. Частотный диапазон должен соответствовать спектру исследуемого сигнала. Поскольку эти сигналы имеют низкую амплитуду, важно, чтобы полоса пропускания была не меньше, но и не больше, чем требуется.
4. К_осс > 100 дБ
5. Уровень шума < 20 нВ/√Гц
• Фильтр низких частот. Низкочастотные помехи, содержащиеся в полезном сигнале, устраним с помощью ФНЧ. Используем ФНЧ эллиптического типа 2 порядка, который является лучшим среди всех фильтров низких частот в том смысле, что для заданного порядка и допустимых отклонений характеристики в полосах пропускания и задерживания обладают самой узкой шириной переходной области. Фильтр имеет приемлемую переходную характеристику и достаточно крутой спад АЧХ вне полосы пропускания. Требования, предъявляемые к ФНЧ
1. f_cp = 150 Гц
2. Неравномерность в полосе пропускания – 0.5 дБ
3. Минимальное затухание в полосе задержания – 30 дБ
4. Ширина переходной области – 200 Гц
• Сигнал, снимаемый с пациента, содержит высокочастотные помехи. Для их устранения ставим ФВЧ. Используем эллиптический фильтр третьего порядка, он характеризуется высокой скоростью затухания и эффективно подавляет частоты, больше частоты среза.

    Требования, предъявляемые к ФВЧ

1. f_cp = 0.25 Гц
2. Неравномерность в полосе пропускания – 3 дБ
3. Минимальное затухание в полосе задержания – 40 дБ

 

     Так как целью нашей курсовой работы является разработка канала регистрации сигнала ЭЭГ, будем рассматривать функциональную схему до АЦП. Рассматриваем аналоговое решение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

10. Разработка принципиальной схемы канала регистрации сигнала ЭЭГ.

10.1. Выбор инструментального усилителя.

   Инструментальный  усилитель можно собрать из трех ОУ.  Однако, данный способ не является приемлемым, т.к. кроме того, что схема  будет включать в себя три прецизионных ОУ (что будет достаточно дорого), придется подбирать прецизионные резисторы.  Так что наиболее оптимальным вариантом является покупка готового операционного усилителя.

   Т. к. к данному элементу предъявляются  высокие требования по ослаблению синфазного сигнала и шуму, выберем данные ИУ с сайтов www.analog.com и www.ti.com: