1. ведение.

    Электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод записи электрической активности различных отделов головного мозга, которая преобразуется в соответствующую кривую, называемую электроэнцефалограммой. Она с помощью ряда характеристик отражает состояние головного мозга человека и уровень его сознания. Данный метод 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 и 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. По форме кривой 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, делают попытки проникнуть в законы специфики человеческой психической деятельности.

    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.

    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.

    В современной медицине ЭЭГ исследование весьма применяемо и распространено, но приборы не приносят высокой точности, поэтому, модернизируя устройство за счет нововведений, разрабатываем канал регистрации ЭЭГ, что и является основной целью данной курсовой работы.

2. Анализ  механизмов формирования и характеристик  сигнала ЭЭГ.

1. Источники генерации ЭЭГ.

    Электроэнцефалография относится к числу неинвазивных методов, позволяющих исследователям изучать различные свойства мозга и включает в себя экспериментальные исследования электрических полей в мозге. Экспериментальные данные свидетельствуют, что генез ЭЭГ определяется в основном электрической активностью коры больших полушарий головного мозга, а на уровне клеток - активностью ее пирамидных нейронов. У этих нейронов выделяют два типа электрической активности: импульсный разряд (потенциал действия) длительностью около 1 мс и более медленные электротонические (градуальные) колебания мембранного потенциала - тормозные и возбуждающие постсинаптические потенциалы: соответственно ТПСП и ВПСП. Тормозные ПСП пирамидных клеток генерируются в основном в теле нейрона, а ВПСП - преимущественно в дендритах. Правда, на теле нейрона имеется определенное количество возбуждающих синапсов, и соответственно этому тело (сома) пирамидных нейронов способно генерировать также и ВПСП. Длительность ВПСП и ТПСП пирамидных клеток, по крайней мере, на порядок больше продолжительности импульсного разряда.

    Для выяснения механизма генеза ЭЭГ  важно, какой тип электрической  активности (потенциалы действия или  постсинаптические потенциалы) дает наибольший вклад в потенциал  внешнего поля головного мозга. Ясно, что для генеза ЭЭГ наиболее существенна та электрическая активность, при которой возникает диполь с большим дипольным моментом. Практически электроэнцефалография осуществляется наложением на поверхность черепа металлических пластинчатых электродов, которые соединяют проводами со входом аппарата. Величину этого дипольного момента можно оценить по протяженности внеклеточного поля, например, по расстоянию, на котором потенциал падает до очень малых значений или же в определенное число раз. К.Ю. Богданов и В.Б.Головчинский рассчитали пространственное распределение внеклеточного электрического поля пирамидных нейронов коры при импульсной активности и при градуальном изменении мембранного потенциала сомы, обусловленном ВПСП. Этот расчет проводился на основе кабельной теории при условии, что величина потенциала действия на порядок превышает ВПСП.

    На  рис.1 изображена полученная пространственная структура электрического поля вдоль дендритного ствола и вокруг на расстоянии около 0,01 мм от продольной оси этого ствола. Оказалось, что внешнее поле пирамидного нейрона при импульсном разряде очень резко уменьшается вдоль дендритного ствола и уже на расстоянии около 0,3 мм потенциал падает практически до нуля. В противоположность этому внеклеточное поле ВПСП характеризуется гораздо большей протяженностью (примерно на порядок), и, следовательно, при этой активности пирамидные клетки имеют гораздо более высокий дипольный момент. Это различие находит объяснение при рассмотрении пассивных электрических свойств дендритного ствола.

Рис.1.  Пространственная структура внешнего электрического поля больших пирамидных нейронов коры головного мозга кошки при импульсной (1) и градуальной (2) электрической активности V' — потенциал, относительные единицы; r - расстояние от тела нейрона вдоль дендритного ствола, мм 

    По  отношению к потенциалу действия ввиду его кратковременности мембрана дендрита ведет себя как емкость, обладающая низким сопротивлением току высокой частоты. Поэтому ток, обусловленный импульсной активностью, циркулирует на небольшом расстоянии от тела клетки. Емкость мембраны шунтирует отдаленные участки ствола. По данным микроэлектродных исследований, внешнее электрическое поле пирамидных нейронов, генерируемое потенциалом действия, не обнаруживается уже на расстояниях более 0,1 мм.

    Таким образом, принято считать, что в  электрических процессах, регистрируемых с поверхности открытого мозга  или скальпа, находит отражение  синаптическая активность нейронов - потенциалы, которые возникают  в постсинаптической мембране нейрона, принимающего импульс. Возбуждающие постсинаптические потенциалы имеют длительность более 30 мс, а тормозные постсинаптические потенциалы коры могут достигать 70 мс и более. Эти потенциалы (в отличие от потенциала действия нейрона, который возникает по принципу "все или ничего") имеют градуальный характер и могут суммироваться. При изучении внешнего электрического поля мозга регистрируют и интерпретируют переменный сигнал ЭЭГ, а постоянную составляющую, как правило, не принимают во внимание.

    В простейшем случае положительные колебания потенциала на поверхности коры связаны либо с возбуждающими постсинаптическими потенциалами в ее глубинных слоях, либо с тормозными постсинаптическими потенциалами в поверхностных слоях. Отрицательные колебания потенциала на поверхности коры предположительно отражают противоположное этому соотношение источников электрической активности.

    Ритмический характер биоэлектрической активности коры, и в частности * - ритма, обусловлен влиянием подкорковых структур, в первую очередь таламуса (промежуточный мозг). Именно в таламусе находятся главные, но не единственные пейсмекеры или водители ритма Нейроны неспецифического таламуса обладают свойством авторитмичности. Эти нейроны через соответствующие возбуждающие и тормозные связи способны генерировать и поддерживать ритмическую активность в коре больших полушарий.

      Большую роль в динамике электрической  активности таламуса и коры  играет ретикулярная формация  ствола мозга. Она может оказывать  синхронизирующее влияние, т.е.  способствующее генерации устойчивого ритмического паттерна, и десинхронизирующее, нарушающее согласованную ритмическую активность.  

3. Актуальность  разработки прибора.

    Регистрация биоэлектрических потенциалов является одним из важных объективных подходов, применимых к исследованию нервной деятельности. Этот метод используется чаще других и находит множество применений в области физиологии восприятия. Появление и распространение потенциалов действия в том или ином нервном образовании надежно свидетельствует о наличии нервных сигналов. Этот периодически возникающий феномен используется при электрофизиологическом исследовании функций органов чувств.

    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 специалисту ЭЭГ, электроэнцефалографы подразделяются на традиционные «бумажные» (перьевые) и более современные — «безбумажные». В первых электроэнцефалографах 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 канала регистрации сигнала  ЭЭГ будем иметь в виду  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 в дальнейшем более качественный и точный прибор, который позволит обнаружить малейшую патологию.

    Разработка  качественного и недорогого отечественного оборудования является необходимостью и основной задачей данной курсовой работы. За счет использования элементов преимущественно отечественного производства, стоимость значительно понижается. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Анализ взаимодействия преобразователя аппарата с биообъектом.

    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 "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: