Машина ЭЭГ

<час />

Фон

Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) - это устройство, используемое для создания картины электрической активности мозга. Он использовался как для медицинской диагностики, так и для нейробиологических исследований. Основные компоненты ЭЭГ-машины включают электроды, усилители, компьютерный модуль управления и устройство отображения. Производство обычно включает раздельное производство различных компонентов, сборку и окончательную упаковку. Аппарат ЭЭГ, впервые разработанный в начале двадцатого века, продолжает совершенствоваться. Считается, что эта машина приведет к целому ряду важных открытий как в области основных функций мозга, так и в лечении различных неврологических заболеваний.

Функционирование аппарата ЭЭГ зависит от того факта, что нервные клетки мозга постоянно производят крошечные электрические сигналы. Нервные клетки или нейроны передают информацию по телу электрически. Они создают электрические импульсы за счет диффузии ионов кальция, натрия и калия через клеточные мембраны. Когда человек думает, читает или смотрит телевизор, стимулируются разные части мозга. Это создает различные электрические сигналы, которые можно отслеживать с помощью ЭЭГ.

Электроды на аппарате ЭЭГ прикреплены к коже черепа, чтобы они могли улавливать небольшие электрические мозговые волны, производимые нервами. Когда сигналы проходят через машину, они проходят через усилители, которые делают их достаточно большими для отображения. Усилители работают так же, как усилители в домашней стереосистеме. Одна пара электродов составляет канал. Аппараты ЭЭГ имеют от восьми до 40 каналов. В зависимости от конструкции, ЭЭГ-машина либо распечатывает волновую активность на бумаге (с помощью гальванометра), либо сохраняет ее на жестком диске компьютера для отображения на мониторе.

Давно известно, что разные состояния ума приводят к разным проявлениям ЭЭГ. Четыре состояния ума - бдительность, покой, сон и сновидения - связаны с мозговыми волнами, называемыми альфа, бета, тета и дельта. Каждый из этих паттернов мозговых волн имеет разные частоты и амплитуды волн.

Аппараты ЭЭГ используются для различных целей. В медицине они используются для диагностики таких явлений, как судорожные расстройства, травмы головы и опухоли головного мозга. Обученный техник в специально оборудованном помещении проводит тест ЭЭГ. Пациент лежит на спине, на кожу головы накладывают 16-25 электродов. Выходные данные электродов записываются на экране компьютера или рисуются на движущемся листе миллиметровой бумаги. Иногда пациента просят выполнить определенные задания, например, глубоко дышать или смотреть на яркий мерцающий свет. Данные, собранные с помощью этой машины, могут быть интерпретированы компьютером и дают геометрическую картину активности мозга. Это может показать врачам, где именно находятся проблемы с мозговой активностью.

История

Впервые аппарат ЭЭГ был представлен миру Гансом Бергером в 1929 году. Бергер, психоневролог из Йенского университета в Германии, использовал немецкий термин elektrenkephalogramm для описания графического представления электрических токов, генерируемых в головном мозге. Он предположил, что мозговые токи меняются в зависимости от функционального состояния мозга, такого как сон, анестезия и эпилепсия. Это были революционные идеи, которые помогли создать новую отрасль медицинской науки под названием нейрофизиология.

По большей части научное сообщество времен Бергера не поверило его выводам. Прошло еще пять лет, прежде чем его выводы были подтверждены экспериментами Эдгара Дугласа Адриана и Б.С.Х. Мэтьюза. После этих экспериментов другие ученые приступили к изучению этой области. В 1936 году В. Грей Уолтер продемонстрировал, что эту технологию можно использовать для определения опухоли головного мозга. Уолтер применил большое количество маленьких электродов, которые он приклеил к коже черепа, и обнаружил, что опухоли головного мозга вызывают аномальную электрическую активность.

С годами электроды, усилители и устройства вывода ЭЭГ совершенствовались. Ученые узнали, где лучше всего ставить электроды и как диагностировать заболевания. Они также узнали, как создавать электрические карты мозга. В 1957 году Уолтер разработал устройство под названием топоскоп. Эта машина использовала активность ЭЭГ для создания карты поверхности мозга. У него было 22 электронно-лучевых трубки, которые были подключены к паре электродов на черепе. Электроды располагались таким образом, чтобы каждая трубка могла показывать интенсивность активности в разных отделах мозга. Используя эту машину, Уолтер продемонстрировал, что мозговые волны в состоянии покоя отличаются от мозговых волн, генерируемых во время умственной задачи, требующей концентрации. Хотя это устройство было полезным, оно никогда не имело коммерческого успеха, потому что было сложным и дорогим. Сегодня машины ЭЭГ имеют несколько каналов, компьютерную память и специализированное программное обеспечение, которое может создавать электрическую карту мозга.

Сырье

Многочисленное сырье используется при создании аппарата ЭЭГ. Внутренние печатные платы представляют собой плоские листы с полимерным покрытием. К ним подключены электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы и интегральные схемы, сделанные из различных типов металлов, пластика и кремния.

Электроды обычно изготавливаются из немецкого серебра. Немецкое серебро - это сплав, состоящий из меди, никеля и цинка. Он особенно полезен, потому что он достаточно мягкий, чтобы его можно было легко шлифовать и полировать. Также можно использовать нержавеющую сталь (с более высоким содержанием никеля). Он обычно более устойчив к коррозии, но его труднее сверлить и обрабатывать.

Липкая лента используется для прикрепления поверхностных электродов к пациенту. Поскольку электрические сигналы слабо передаются через кожу к электродам, обычно требуется электролитная паста или гель. Этот материал наносится непосредственно на кожу. Он может состоять из косметического ингредиента, такого как ланолин и ионы хлорида, которые помогают формировать проводящий мост между кожей и электродом, обеспечивая лучшую передачу сигнала. Политетрафторэтилен (тефлон) используется в качестве покрытия для проводов и различных электродов.

Дизайн

Основные системы ЭЭГ-машины включают сбор, хранение и отображение данных. Компоненты этих систем включают электроды, соединительные провода, усилители, компьютерный модуль управления и устройство отображения. В Соединенных Штатах FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) внесло предложения по производству для производителей аппаратов ЭЭГ.

Электроды или отведения, используемые в аппарате ЭЭГ, можно разделить на два типа, включая поверхностные и игольчатые электроды. Как правило, игольчатые электроды обеспечивают большую четкость сигнала, поскольку они вводятся непосредственно в тело. Это устраняет заглушение сигнала, вызванное кожей. Для поверхностных электродов существуют одноразовые модели, такие как лепестковые, кольцевые и стержневые электроды. Также есть многоразовые дисковые и пальцевые электроды. Электроды также могут быть объединены в колпачок электрода, который надевается непосредственно на голову.

Усилители ЭЭГ преобразуют слабые сигналы мозга в более различимый сигнал для устройства вывода. Это дифференциальные усилители, которые полезны при измерении сигналов относительно низкого уровня. В некоторых конструкциях усилители устроены следующим образом. Пара электродов улавливает электрический сигнал от тела. Провода, подключенные к электродам, передают сигнал на первую секцию усилителя, буферный усилитель. Здесь сигнал стабилизируется электронным способом и усиливается в 5-10 раз. Следующим идет дифференциальный предварительный усилитель, который фильтрует и усиливает сигнал в 10-100 раз. После прохождения через эти усилители сигналы умножаются в сотни или тысячи раз.

В этой секции усилителей, которые принимают прямые сигналы от пациента, используются оптические изоляторы для отделения основной цепи питания от пациента. Разделение предотвращает возможность случайного поражения электрическим током. Первичный усилитель находится в основной цепи питания. В этом усиленном усилителе аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал, который больше подходит для вывода.

Поскольку мозг выдает разные сигналы в разных точках черепа, используется несколько электродов. Количество каналов, которые имеет аппарат ЭЭГ, зависит от количества используемых электродов. Чем больше каналов, тем детальнее картина мозговых волн. К каждому усилителю на аппарате ЭЭГ прикреплены два электрода. Усилитель может преобразовывать разные входящие сигналы и гасить идентичные. Это означает, что выходной сигнал машины на самом деле представляет собой разницу в электрической активности, воспринимаемой двумя электродами. Следовательно, расположение каждого электрода имеет решающее значение, потому что чем ближе они друг к другу, тем меньше различий в мозговых волнах, которые будут регистрироваться.

Для аппаратов ЭЭГ доступны различные выходные принтеры и мониторы. Одним из распространенных устройств является гальванометр или самописец на бумажной ленте. Это устройство распечатывает твердую копию сигналов ЭЭГ с течением времени. Также используются другие типы устройств, включая компьютерные принтеры, оптические диски, записываемые компакт-диски (CD) и магнитные ленты. Поскольку собранные данные являются аналоговыми, их необходимо преобразовать в цифровой сигнал, чтобы можно было использовать электронные устройства вывода. Поэтому первичная схема ЭЭГ обычно имеет встроенную секцию аналого-цифрового преобразователя. Программное обеспечение, поставляемое с некоторыми аппаратами ЭЭГ, можно использовать для создания карты мозга.

Различные другие аксессуары используются с аппаратом ЭЭГ. К ним относятся электролитические пасты или гели, монтажные зажимы, различные датчики и термобумаги. Аппараты ЭЭГ, используемые при исследовании сна, оснащены датчиками храпа и дыхания. Для других целей требуются устройства для сенсорной стимуляции, такие как наушники и светодиодные очки. Третьи аппараты ЭЭГ оснащены электростимуляторами.

Производственный
процесс

Различные части аппарата ЭЭГ производятся отдельно, а затем первичный производитель собирает их перед упаковкой. Эти компоненты, включая электроды, усилитель, устройства хранения и вывода, могут поставляться сторонними производителями или производиться собственными силами.

Электроды

• 1 Электроды ЭЭГ обычно получают от внешних поставщиков и проверяют, соответствуют ли они установленным спецификациям. Одним из типов электродов, обычно используемых в аппарате ЭЭГ, является игольчатый электрод. Их можно сделать из прутка из нержавеющей стали. Пруток нагревают, пока он не станет мягким, а затем экструдируют, чтобы сформировать бесшовную трубу.
• 2 Затем трубку вытягивают, чтобы получить полую трубку с мелкими отверстиями. Эти трубки обрезаются до нужной длины, а затем заостряются конусом, чтобы получить острие.
• 3 Для облегчения введения трубку пропускают через ванну с политетрафторэтиленом (тефлоном), чтобы получить гладкое химически стойкое покрытие. Когда трубка выходит из ванны, ее нагревают, чтобы испарить растворитель и дать покрытию закрепиться.
• 4 Затем трубка механически помещается в пластмассовый переходник, изготовленный на литьевой машине. Эта деталь позволяет одноразовым иглам в индивидуальной упаковке присоединяться к проволоке.
• 5 Экранированный подводящий провод снабжен адаптером, который можно подключить к основному блоку.

Внутренняя электроника

• 6 Усилители и компьютерный модуль управления собраны так же, как и другое электронное оборудование. Электронные конфигурации сначала печатаются на печатных платах. Платы могут быть снабжены микросхемами, конденсаторами, диодами, предохранителями и другими электронными деталями вручную или пропущены через автомат. Эта машина работает как этикетировочная машина. Он загружен многочисленными катушками электронных компонентов и установочными головками. Компьютер контролирует движение Мужчина, которому делают ЭЭГ в колпачке с электродами. плата через автомат. Когда плата перемещается под одну из катушек компонентов, установочная головка штампует электронный блок на плате в соответствующих положениях. По завершении платы отправляются на следующий этап для пайки волной припоя.
• 7 На следующем этапе машина для пайки волной припоя прикрепляет электронные компоненты к плате. Когда платы входят в эту машину, они промываются флюсом для удаления загрязнений, которые могут вызвать короткое замыкание.
• 8 доски затем нагреваются с помощью инфракрасного излучения. Нижняя сторона платы проходит над чаном с расплавленным припоем. Припой заполняет необходимые области за счет капиллярного действия.
• 9 По мере остывания платы припой затвердевает, и электроника остается на месте. На этом этапе обычно проводится визуальный осмотр, чтобы убедиться, что дефектные платы выбракованы.

Усилитель

• 10 Электронные платы усилителя собираются вместе и прикрепляются к корпусу. Обычно это делают операторы линии, которые физически размещают детали на сборных плитах.
• 11 Корпус изготовлен из прочного пластика, изготовленного с помощью типичных процессов литья под давлением. В этом процессе создается двухкомпонентная пресс-форма, имеющая форму, обратную желаемой детали. Расплавленный пластик вводится в форму, и когда он остывает, формируется деталь. Для некоторых моделей ЭЭГ усилитель представляет собой отдельную коробку размером с учебник. На внешних сторонах коробки есть разъемы, в которые вставляются электроды и соединительные линии компьютера.

Блок управления компьютером

• 12 Станция ЭЭГ состоит из усилителя и станции компьютерного управления. Эта станция управления обычно имеет настольный компьютер, клавиатуру и мышь, цветной принтер и видеомонитор. Все эти устройства производятся сторонними производителями и собираются производителем ЭЭГ.

Окончательная сборка

• 13 Все компоненты аппарата ЭЭГ-О собраны вместе и помещены в соответствующий металлический каркас. Этот процесс выполняется линейными операторами, работающими в исключительно чистых условиях. Когда компоненты собраны, их обычно кладут на прочную стальную тележку, чтобы устройство было портативным.
• 14 Готовые устройства затем помещаются в окончательную упаковку вместе с такими принадлежностями, как электроды, компьютерное программное обеспечение, бумага для распечаток и руководства.

Контроль качества

На каждом этапе производственного процесса проводятся визуальные и электрические проверки, чтобы гарантировать качество каждого производимого устройства ЭЭГ. Поскольку изготовление схем чувствительно к загрязнению, монтажные работы выполняются операторами линий в чистых помещениях с регулируемым потоком воздуха. Операторы также должны носить одежду без ворса, чтобы снизить вероятность заражения. Функциональные характеристики каждого готового устройства ЭЭГ также проверяются, чтобы убедиться, что оно работает. Для этого нужно включить устройство, включить его и выполнить серию стандартных тестов. Чтобы смоделировать использование в реальной жизни, эти тесты проводятся при разных уровнях тепла и влажности.

Как правило, производители устанавливают собственные требования к качеству для своих аппаратов ЭЭГ. Однако в Соединенных Штатах Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) предоставляет производственные рекомендации, которые обычно адаптируются отраслью. Различные другие медицинские и правительственные организации также предлагают стандарты и рекомендации по производительности. Некоторые факторы, которые считаются важными, включают стандартизованные диапазоны входного сигнала, точность калибровочного сигнала, частотные характеристики и продолжительность записи.

Будущее

В будущем аппараты ЭЭГ будут усовершенствованы как в их производстве, так и в сферах их применения. С производственной точки зрения компоненты, составляющие внутреннюю электронику устройства, вероятно, станут меньше. Это позволит создавать более портативные машины меньшего размера. Это также сделает устройства менее дорогими. Это будет важно, потому что некоторые эксперты предполагают, что в будущих приложениях будет желательно, чтобы отдельные потребители имели аппараты ЭЭГ.

В то время как производственные усовершенствования станут результатом исследований, проведенных в общей области электронного производства, конкретные исследования ЭЭГ-машин были сосредоточены на новых сферах применения и применениях. Например, недавно было представлено устройство, которое может сделать возможным скрининг на болезнь Альцгеймера. Этот аппарат содержит колпачок с электродами. При ношении он обеспечивает электронную картину активности мозга пациента. Эту картину сравнивают с мозговой активностью здоровых людей и отмечают различия.

Разработана аналогичная машина, которая может использовать информацию, полученную с электродов ЭЭГ, для управления компьютерами. На этом устройстве пользователь надевает колпачок с электродом и смотрит на экран компьютера. После тренировки на компьютере пользователи смогли управлять перемещением курсора на экране, просто используя свои мысли. Если бы эта технология была полностью развита, она могла бы стать революционным достижением для людей, страдающих параличом нижних конечностей. Отдельным потребителям также может быть полезно использовать такое устройство для управления домашним освещением, компьютерами и бытовой техникой, просто подумав.

Где узнать больше

Книги

Фиш, Брюс Дж. Fisch and Spehlmann's EEG Primer. Elsevier Science, 1999.

Отмер, Кирк. Энциклопедия химической технологии. Vol. 22 января 1992 г.

Вебстер, Дж. Г. Применение и проектирование медицинского оборудования. 2-е изд. 1992г.

Вонг, Питер К. Х. Цифровая ЭЭГ в клинической практике. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 1995 г.

Другое

Саббатини, Ренато М.Э. «Картирование мозга». Мозг и разум 15 ноября 2001 г. .

Перри Романовский