Прибор для регистрации ЭЭГ сигнала по системе 10-20 для выявления альфа-ритма с каналом общей ЭЭГ

Содержание.

    1. Введение

    2. Технико – экономическое обоснование

    3. Анализ существующих решений

    4. Разработка и описание структурной схемы.

    5. Разработка, описание и расчет  функциональной схемы. 

 

     1. Введение.

    Электроэнцефалография – метод записи электрической активности различных отделов головного мозга, которая преобразуется в соответствующую кривую, называемую электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Прибор, с помощью которого выполняется электроэнцефалография, называется энцефалографом. Электроэнцефалограмма с помощью ряда характеристик отражает состояние головного мозга человека и уровень его сознания. Электроэнцефалография применяется главным образом для диагностики и определения участков головного мозга, пораженных эпилепсией.

    Начало ЭЭГ-исследований, в том виде, как они проводятся сейчас, положили работы Правдич-Неминского, который изучил классифицировал у собаки различные типы электрических колебаний — всего 7 типов спонтанных волн. Исследования Правдич-Неминского создали предпосылки для переноса метода регистрации биопотенциалов мозга на человека.

    В то время электрофизиологам удавалось  регистрировать электрические колебания  у человека лишь случайно от мозга, открытого при операциях. Возможность  отведения биотоков мозга через  неповрежденный череп и его покровы значительно расширяла границы применения этого метода. Ее реализовал Ганс Бергер, немецкий психиатр, записывая биопотенциалы у человека при нервно-психических заболеваниях.

    Этот  способ вскоре был заменен простым  прикладыванием пластинок из неполяризующихся материалов. Модификация отведения биотоков мозга оказалась совершенно безболезненной и быстро вошла в клиническую практику, получив название электроэнцефалографии, а регистрируемая при этом кривая — электроэнцефалограммы. По форме кривой, т. е. по морфологии волнового процесса, электроэнцефалограмма состоит из двух типов волн: из волн, представляющих графическое изображение колебаний, наблюдаемых в отсутствие специальных воздействий, т. е. из спонтанных колебаний и из волн, возникающих под воздействием афферентных стимулов — токов действия. Прослеживая сложную динамику биоэлектрических реакций мозга, делаются попытки проникнуть в законы специфически человеческой психической деятельности. Последние могут быть расположены как на поверхности мозга, так и в глубине его.

    Присоединение этих точек к измерительному прибору  называется отведением. Отведение потенциалов  производится с помощью специальных  контактных устройств — электродов, которые либо прикладываются к поверхности  тканей, покрывающих мозг (кость, мышцы, кожа и пр.), либо контактируют непосредственно с поверхностью мозга, либо, наконец, вводятся в его глубинные отделы. При отведении через ткани необходимо всегда учитывать, во-первых, их сопротивление, которое уменьшает реальную амплитуду биопотенциалов, и, во-вторых, возможную собственную их электрическую активность (особенно мышечные потенциалы, а также кожно-гальванический рефлекс), которая может суммироваться с электрической активностью мозга ("биологическая активность").

    Так как при оценке ЭЭГ учитываются формы колебаний, их амплитуда, частота и временные (в частности, фазовые) соотношения, то регистрирующая аппаратура должна обеспечить максимально верное изображение исследуемых сигналов в виде удобочитаемой кривой с возможностью определения указанных параметров. Поскольку величина разности потенциалов, генерируемых мозгом, является очень малой и нижняя их граница, доступная измерению в настоящее время, определяется единицами микровольт, то, чтобы записать эти колебания, их необходимо усилить. Для этого используются электронные усилители, в частности усилители напряжений.

    Для записи усиленных колебаний электрических  потенциалов мозга используются разнообразные автоматические регистрирующие устройства. Эти устройства, называемые самописцами, или осциллографами, позволяют получить кривую изменений биопотенциалов как функцию времени.

    Из  большого числа существующих в технике  типов осциллографов в электроэнцефалографии  применяются лишь некоторые. В настоящее  время имеются самопишущие приборы, специально разработанные для записи электроэнцефалограмм и объединяющие в одном комплексе усилители и осциллографы. Такие приборы называются электроэнцефалографами [1,2].

    В современной медицине ЭЭГ исследование весьма применяемо и распространено, но приборы не приносят высокой точности, поэтому, модернизируя устройство за счет нововведений, разрабатываем портативный электроэнцефалограф, что и является основной целью данного курсового проекта.

 

     2. Технико – экономическое обоснование.

    Современные электроэнцефалографы представляют собой многоканальные регистрирующие устройства,  в зависимости от количества каналов, что, в свою очередь влияет на размер, а так же дополнительных параметров, варьируется их стоимость.

    В медицинских учреждениях существует проблема следующего характера: за рубежом аппаратура более новая, подходит под современные стандарты, а так же более удобная, но очень дорогая. Отечественная аппаратура более прочная, но не современная.

    В зависимости от того, в каком виде регистрируется и представляется для анализа электроэнцефалографисту ЭЭГ, электроэнцефалографы подразделяются на традиционные «бумажные» (перьевые) и более современные — «безбумажные». В первых ЭЭГ после усиления подается на катушки электромагнитных или термопишущих гальванометров и пишется непосредственно на бумажную ленту. Электроэнцефалографы второго типа преобразуют ЭЭГ в цифровую форму и вводят ее в компьютер, на экране которого и отображается непрерывный процесс регистрации ЭЭГ, одновременно записываемой в память компьютера.

    Бумажнопишущие  электроэнцефалографы обладают преимуществом  простоты эксплуатации и несколько дешевле при приобретении. Безбумажные обладают преимуществом цифровой регистрации со всеми вытекающими отсюда удобствами записи, архивирования, вторичной компьютерной обработки.

    Для разработки нашего прибора будем  использовать полную схему регистрации  ЭЭГ – сигналов по системе «10-20» с использованием 16 активных отведений, для более точного определения очагов патологической активности. Такая система используется при подозрении на наличие у пациента фокальных нарушений. Несмотря на увеличение стоимости из-за выбора использования полной системы отведений, мы получим более качественный и точный прибор, который позволит обнаружить малейшую патологию.

    Записывать потенциалы мозга будем в компьютер и на бумажный носитель с помощью аналогового регистратора. При этом открываются большие возможности по автоматизации анализа электроэнцефалограмм.

    Разработка качественного и недорогого отечественного оборудования является необходимостью и основной задачей технико – экономической части данного курсового проекта. За счет использования элементов преимущественно отечественного производства, стоимость значительно понижается. 

 

3. Анализ существующих решений.

    Метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) основан на регистрации биопотенциалов мозга. Излагая сущность метода простыми словами, можно сказать, что энцефалограф – это, по сути, обычный вольтметр, который измеряет разности потенциалов между различными точками кожи головы. Поскольку, как и все процессы в живой природе, потенциалы мозга меняются во времени, запись ЭЭГ традиционно представляется в виде кривой потенциал/время.

    В настоящий момент технический прогресс позволил отказаться от устаревших аппаратов  с лентой и самописцами и воспользоваться регистрацией ЭЭГ на цифровых носителях – появился метод компьютерной ЭЭГ (КЭЭГ). Компьютерные записи затем распечатываются и анализируются врачом совершенно так же как и больше полувека назад на заре эпохи ЭЭГ. Несмотря на то, что в настоящее время создано значительное число алгоритмов компьютерного анализа данных, визуальный анализ остается одним из самых значимых.

    Среди методов регистрации  ЭЭГ наиболее распространены:

- Рутинная  ЭЭГ;

- ЭЭГ  мониторинг;

- Видео  ЭЭГ мониторинг.

     Обычный (рутинный) метод записи ЭЭГ предполагает не более 15 минут записи, и используется для массовых исследований. К сожалению, в ряде ситуаций он оказался не слишком информативен – слишком короткий период записи не всегда позволяет разглядеть патологическую активность. Однако очень часто встречаются ситуации, когда даже в случае тяжелой болезни изменения на ЭЭГ проявляются лишь на незначительный период времени – например в связи с засыпанием пробуждением пациента. С появлением компьютерных технологий (КЭЭГ) закономерно появилась возможность выполнять более длительные записи - мониторинг ЭЭГ (от слова monitor – наблюдать).

     ЭЭГ мониторинг предполагает длительную от 1 до 12 часов и более непрерывной записи. Активность мозга регистрируется в разных функциональных состояниях – как при повседневной активности в бодрствовании так и во сне. Причем, по мнению большинства исследователей, в большинстве случаев именно запись сна обладает наибольшей информативностью.

     Видео ЭЭГ мониторинг (ВЭМ) предполагает также запись видео сигнала параллельно с записью потока ЭЭГ. К сожалению запись ЭЭГ подвержена очень большим искажениям со стороны электрической активности близлежащих к электродам мышц. Иногда эти помехи (т.н. двигательные артефакты) столь похожи на патологическую активность мозга, что без визуального наблюдения за пациентом их почти невозможно различить. В настоящий момент именно видео ЭЭГ мониторинг является самым точным и информативным из всех методов регистрации ЭЭГ [2]. 

     Основные  виды активности электроэнцефалограммы:

     Альфа-активность. Выявляется при проведении электроэнцефалограммы в состоянии пассивного бодрствования и представляет собой синусоидальные колебания частотой 8-13 Гц и амплитудой 40-100 мкВ. Альфа-активность зрелого мозга обычно модулирована в веретена и преобладает преимущественно в затылочных областях (связана с функционированием зрительного анализатора)

     Бета  активность. Представляет собой колебания частотой 14-40 Гц и амплитудой до 15-20 мкВ. Выявляется преимущественно в передних отделах головного мозга во время активного бодрствования. В структуре бета-активности выделяют низкочастотную (с частотой до 22-24 Гц) и высокочастотную (с частотой более 22-24 Гц) активность. Некоторые авторы в структуре бета-активности выделяют гамма-активность, или высокочастотные бета-активность с частотой 40-70 Гц и амплитудой до 5-7 мкв.

     Мю-активность. Выявляется в центральных областях головного мозга с преобладанием в области роландической борозды (связана с проприоцептивной чувствительностью). По частоте и амплитуде соответствует альфа-активности, но имеет характерную аркоподобную форму.

     Тета-активность. Медленноволновая активность частотой 4-7 Гц различной амплитуды, усиливающаяся при эмоциональном возбуждении и во в время сна. Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом

     Дельта-активность. Медленноволновая активность частотой 1-3 Гц различной амплитуды, наиболее выраженная во время сна. Появление активности на ЭЭГ в другие промежутки времени свидетельствует о снижении уровня функциональной активности коры и всего мозга в целом  
 

   Обзор методов для измерения  потенциалов мозга:

     Для измерения потенциалов мозга  существует много методов. Различия методов состоят лишь в постановке задачи и получении требуемого результата измерения.

     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 "десять-двадцать".

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

1) контактные  накладные неприклеивающися электроды (рис.1.а), которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки (рис.1.г);

2) игольчатые электроды (рис.1.б);

3) приклеивающиеся электроды (рис.1.в(1-металл, 2-липкая лента, 3-электродная паста, 4-кожа));

4) базальные электроды;

5) пиальные электроды;