Разработка многоканального электроэнцефалографа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет “ЛЭТИ” имени В.И. Ульянова (Ленина)»

(СПбГЭТУ)

 

 

 

Курсовой проект

Разработка многоканального электроэнцефалографа.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

Введение

Развитие медицины определяется прогрессом медико-биологических знаний и уровнем медицинской техники. Совершенствование методов диагностики и оказание помощи больным людям неотделимо от внедрения современных  информационных технологий и создания высококачественной медицинской аппаратуры.

Одной из отраслей медицинской науки, которая занимается определением признаков болезни, устанавливает заключение о характере болезни и ее существе, является диагностика. Важнейший этап в лечении – правильная диагностика заболевания. Но как исследовать внутренние органы, не прибегая к хирургическим методам? С наибольшей достоверностью, возможно, сделать только с помощью средств информационно- измерительной техники.

В настоящее время существует множество методов измерения  биопотенциалов: как инвазивных, так и неинвазивных. Так как инвазивные методы доставляют дискомфорт человеку и опасны занесением инфекции, поэтому далее будут рассматриваться только неинвазивные методы.

Электрографический метод – метод регистрации и анализа биоэлектрических процессов человека и животных – нашел весьма широкое применение в клинической практике, физиологическом эксперименте, авиационной и космической медицине, исследований по физиологии труда и спорта. Столь широкое применение электрографического метода объясняется тем, что он позволяет получить ценную информацию о нормальной или патологической деятельности тканей, органов и систем. В медицине электрографический метод зарекомендовал себя как важный диагностический метод. Большим достоинством электрографического  метода при использовании в клинике является его безболезненность.

В связи с этим, в данной работе решается конкретная техническая задача – разработка цифрового электроэнцефалографа для регистрации биопотенциалов головного мозга, который обладает рядом преимуществ:

- простота эксплуатации;

- надежность;

- малые габаритные размеры;

- более низкая цена по сравнению  с зарубежными аналогами;

- безвредность для больного;

- уменьшения уровня помех;

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ЭЭГ

1. Наименование и область применения работы

1. Наименование работы: «Электроэнцефалограф».

2. Область применения: медицина и инженерия, занимающиеся исследованием психоэмоционального состояния человека

2.    Назначение изделия

1. Назначение разработки: Измерение записи в стационарных условиях запоминающего устройства и вывод на дисплей в реальном масштабе времени ЭЭГ.

3. Основные технические характеристики
1. Число каналов должно быть 24.
2. Верхняя граничная частота среза не должна превышать 45 Гц.
3. Нижняя граничная частота среза должна быть не ниже 0,5 Гц.
4. Сигнал ЭЭГ, которые снимаются с электрода, должен быть не ниже 35 мкВ.
5. Уровень собственных шумов усилителей ЭЭГ должен быть не более 1 мкВ по входу.
4. Основные требования к окружающей среде (ОС).
1. Температура ОС может изменяться от 15ºС  до 35ºС.
2. Относительная влажность воздуха не более (65±15)%.
3. Давление ОС (760±20) мм.рт.ст.
5. Требования к конструкции.
1. С целью оперативной установки, электроды оформляются в виде съемной шапки.
2. Конструкция должна удовлетворять технике безопасности.

 

 

 

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

   Основу многоканального  АЦП заложен принцип синхронной  работы передающего и приемного  устройства. Синхронная передача  осуществляется без разделения  операций аналого-цифрового преобразования  и телеметрической передачи цифрового  кода из передающего в приемное устройство. Это достигается тем, что времяимпульсного метода аналого-цифрового положен принцип широтно-импульсной модуляцией сигнала, т.е. преобразования амплитудного значения сигнала во временной интервал, который позволяет осуществить идею совмещения функций аналого-цифрового преобразования с телеметрической передачей данных. Для структурной схемы введены следующие обозначения:

1 – электроды;

Р – референтный электрод;

ОКС – образцовый (корректирующий) калибровочный сигнал;

КМ – коммутатор входных сигналов;

МП – микропрецессор;

АИП – аналоговый источник питания;

КЛ 1 – первый аналоговый ключ;

КЛ 2 – второй аналоговый ключ;

У1 – первый групповой усилитель ЭЭГ;

ФВЧ – фильтр верхних частот;

ДМ – коммутатор-демультиплексор;

С – разделительные конденсаторы;

R – суммирующее сопротивление;

У2 – второй групповой усилитель ЭЭГ;

БПИ – блок преобразования информации;

СУ – сравнивающее устройство;

ГПН – генератор пилообразного напряжения;

Ф – формирователь сигнала нормированной длительности;

Пер – передатчик;

2 – передающая антенна;

Пр – приемник;

3 – приемная антенна;

БОИ – блок обработки информации блока.

 

 

 

Рис.1 Структурная схема Электроэнцефалографа.

   В соответствии со структурной  схемой  рис.1основные функции  перечисленных блоков осуществляются  следующим образом. Биопотенциалы  ЭЭГ, в том числе с референтного устройства Р снимаются с поверхности головы пациента электродами 1 в соответствии с принятым стандартом. Пусть количество устанавливаемых электродов, включая референтный электрод и корректирующий канал, равно N+2. С электродов 1 ЭЭГ по входным каналам непосредственно поступает на N+1 входов коммутатора и через первый аналоговый ключ Кл 1 на вход первого группового усилителя У1  ЭЭГ. Назначение коммутатора КМ и усилителя У1 состоит в последовательном пространственно-временном преобразовании ЭЭГ в каждом цикле измерения и усиления сигнала до уровня, необходимого для дальнейшей обработки. Каждый цикл измерения включает опрос всех каналов коммутатора КМ по так называемому «косому сечению», т.к. каналы опрашиваются последовательно во времени по сигналу управления, формируемому микропроцессором МП. При этом на N+1-ой вход коммутатора КМ поступает сигнал с референтного электрода, а на N+2-ый вход подается сформированный на соответствующем выходе микропроцессора МП образцовый калибровочный сигнал ОКС.

Особенность работы. После включения системы, коммутатор КМ по сигналу управления МП подключает последовательно биопотенциалы ЭЭГ к выходу коммутатора КМ. Биопотенциалы ЭЭГ с выхода коммутатора КМ подаются на первый вход первого аналогового ключа Кл 1, который закрыт (высокий уровень сигнала) на время переключения коммутатора КМ с канала на канал. В это время второй аналоговый ключ Кл 2 открыт (низкий уровень сигнала). Вследствие этого помеха, возникающая в коммутаторе КМ при его переключении с одного канала на другой благодаря шунтирующему действию открытого ключа Кл 2, «уходит» на землю, т.е. ее влияние на результат измерения ЭЭГ сводится к минимуму. После переходного процесса при коммутировании каналов в коммутаторе КМ ключ Кл 1 открывается, а ключ Кл 1 референтный электрод подключается к входу первого группового усилителя У1. Таким образом, биопотенциалы ЭЭГ и помеха на входе первого группового усилителя практически равны нулевому значению.

Выходы коммутатора-демультиплексора ДМ в соответствии с сигналом управления последовательно подключается через N+1 разделительных конденсаторов С к первому контакту суммирующего сопротивления R. Калибровочный канал подключается к резистору R без разделительного конденсатора, т.к. он поступает не с выхода электрода, а формируется в проектируемой системе и в нем отсутствует в качестве слагаемого сигнал поляризации электродов.  Так как напряжение поляризации электродов 1 изменяется значительно медленнее, чем биопотенциал ЭЭГ, то таким образом осуществляется фильтрация напряжения поляризации, причем, результат фильтрации от разных каналов снимается с общего резистора R. Благодаря такому включению резистора R по существу образуется групповой фильтр верхних частот и инструментальная составляющая погрешности, возникающая из-за не идентичности измерительных каналов, сводится к минимуму. Отфильтрованный и усиленный биопотенциал ЭЭГ с выхода второго группового усилителя У2 поступает на вход сравнивающего устройства СУ. Усилитель У2 с учетом коэффициента усиления усилителя У1 имеет такой коэффициент усиления, чтобы усиленный калибровочный сигнал ОКС был бы равен максимальной амплитуде пилообразного напряжения генератора пилообразного напряжения ГПН и максимуму сигнала ЭЭГ. СУ выполняет функцию сравнения выходного сигнала усилителя У2 с напряжением пилообразной формы генератора пилообразного напряжения  ГПН и, таким образом, оно предназначено для выполнения последовательного преобразования амплитуды выходного биопотенциала ЭЭГ коммутатора-демультипоексора ДМ каждого канала в широтно-модулированный импульсный сигнал. Высокая стабильность периода следования пилообразного напряжения достигается за счет сигнала синхронизации, поступающего с выхода таймера, входящего в состав микропроцессора МП. Результаты сравнения пилообразного напряжения  с выходным сигналом усилителя У2 в виде импульсных сигналов с изменяющейся фазой поступают на первый вход формирователя сигналов с изменяющейся фазой поступают на первый вход формирователя сигналов нормированной длительности Ф, на второй вход которого подается сигнал управления с выхода микропроцессора МП.

Выходные сигналы формирователя Ф с фазовой модуляцией, обусловленной изменением уровня биопотенциала ЭЭГ, подаются на вход передатчика Пер, где они осуществляют модуляцию радиочастоты для передачи информации через антенну передатчика 2 и приемное устройство Пр. Информация о величине биопотенциале ЭЭГ в виде импульсного сигнала с фазовой модуляцией после приема и детектирования поступает на блок обработки информации приемника БОИ. Питание высокостабильных аналоговых блоков и элементов осуществляется аналоговым источником питания АИП.

 

Функциональная схема с  рекомендацией по выбору соответствующих элементов.

Рис.2 Функциональная схема ЭЭГ.

1 – электроды;

Р – референтный электрод;

ОКС – образцовый (корректирующий) калибровочный сигнал;

КМ – коммутатор входных сигналов;

МP – микропрецессор AT90S1200;

АИП – аналоговый источник питания;

КЛ 1 – первый аналоговый ключ;

КЛ 2 – второй аналоговый ключ;

У1 – первый групповой усилитель ЭЭГ;

FNCh– фильтр нижних частот;

DM – коммутатор-демультиплексор;

С – разделительные конденсаторы;

R – суммирующее сопротивление;

У2 – второй групповой усилитель ЭЭГ;

БПИ – блок преобразования информации;

СУ – сравнивающее устройство;

GPN – генератор пилообразного напряжения;

F – формирователь сигнала нормированной длительности;

Bt – передатчик;

2 – передающая антенна;

Пр – приемник;

3 – приемная антенна;

BOI – блок обработки информации блока.

INA118 – усилитель

FLASH – флэш память

 

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В СООТВЕТСТВИИ С ПРИВЕДЕННОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМОЙ

 

Сложная структура электроэнцефалографа (рис.1), объем функциональных задач определяет использование в его составе однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ). ОМЭВМ реализует алгоритмы:

• программирования и чтение данных с АЦП;

• оценки качества наложения электродов путем измерения сопротивления на переменном токе;

• калибровки каналов регистрации ЭЭГ с сохранением коэффициентов в энергонезависимой памяти;

• каскадирования нескольких электроэнцефалографов внутри комплекса с синхронной регистрацией ЭЭГ;

• взаимодействия с внешними устройствами регистрации дополнительных биологических параметров по последовательному каналу;

• самотестирования работоспособности устройства;

• отображения информации на ЖКИ модуле;

• поддержки интерфейса с ПК (при помощи внешнего контроллера).

Для реализации таких алгоритмов ОМЭВМ должна обладать производительностью 8-10 MIPS (миллионов операций в секунду), ОЗУ не менее 256 байт, ПЗУ – 8 кбайт, энергонезависимой памятью 512 байт, иметь развитую архитектуру, в том числе внешнюю параллельную шину данных. Такими характеристиками обладают современные 8-ми разрядные микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel (США).