Проектирование микропроцессорных СИ "Электроэнцефалограф"

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования 

«Национальный исследовательский  Томский политехнический университет»

 

 

 

Институт  – Неразрушающего Контроля

Направление – Приборостроение

Кафедра –  ИИТ

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине Проектирование микропроцессорных СИ»

 

ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка гр.1БМ1Г

Кашуба И.В.

 

Проверил: Федоров Е.М.

 

 

 

Томск 2012

 

Содержание

 

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.

Цель данной работы состоит в  изучении неинвазивного электроэнцефалографического  метода исследования головного мозга  человека, а также в разработке электроэнцефалографа для регистрации биопотенциалов головного мозга. Любая технология должна быть прежде всего безопасной для пациента и абсолютно надежна, особенно если речь идет о диагностике заболеваний, в которой важно, чтобы информация была достоверна. Качество съема биопотенциалов головного мозга зависит от применяемых ИП. В НИИ Интроскопии при ТПУ были разработаны электроды, которые удовлетворяют необходимым требованиям. Анализ показал, что их применение для съема поверхностных биопотенциалов позволяет увеличить надежность и точность исследований.

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

- простота эксплуатации;

- надежность;

- малые габаритные размеры;

- более низкая цена по сравнению  с зарубежными аналогами;

- безвредность для больного;

- уменьшения уровня помех;

Техническое задание

1. НАИМЕНОВАНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Наименование работы: «Электроэнцефалограф».
2. Область применения: медицина и инженерия, занимающиеся исследованием психоэмоционального состояния человека

 

2. ЦЕЛЬ РАЗРАБОТКИ И НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ
1. Цель разработки: На базе наноэлектродов, с метрологическим характеристиками на порядок превышающими параметры известных электродов, разработать электроэнцефалограф для исследования активности мозга человека с микровольтовым уровнем сигнала.
2. Назначение разработки: Прибор предназначен для регистрации электрофизиологических показателей активности мозга человека.

 

3. ОСНОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ
1. Основание для разработки: задание по курсу «Проектирование микропроцессорных СИ»
4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЮ
1. Условия эксплуатации:
1. Температура окружающей среды может изменяться в пределах от +15⁰С до +35⁰С;
2. Давление окружающей среды (760 ±20) мм рт.ст;
3. Относительная влажность воздуха не более (65± 15)% .
2. Технические требования:
1. Род измеряемой величины – мкВ;
2. Диапазон измерения разности потенциалов (10 - 70)∙мкВ;
3. Погрешность электроэнцефалографа не должна превышать 2%;
4. Отведения по системе «10-20», прибор должен иметь не менее 22 каналов;
5. Уровень собственных шумов усилителей электроэнцефалографа должен быть не более 1 мкВ по входу;
6. Полоса пропускания по высоким частотам не ниже 50 Гц, константа времени не менее 0,3 с.;
7. Устройство питается от аккумуляторных батареи ти «Крона» с напряжением питания 9 В;
8. Время установления рабочего режима не более 5 сек.;
9. Порог чувствительности не  менее 2мкВ/мм
10. Устройство должно обладать помехозащищённостью, иметь экранированные провода;
11. Индикация измеряемой величины на мониторе ПК в специально разработанном ПО для данного прибора.
3. Требования к конструкции:
1. Габаритные размеры электроэнцефалографа 225х 220 х75;
2. Масса измерителя определяется общей массой готовых устройств;
3. Электроэнефалограф должен быть переносным.

 

Структура  головного  мозга человека

Головной мозг располагается в  полости мозгового черепа, форма  которого определяется формой мозга, некоторыми этническими особенностями, полом, возрастом. Масса мозга взрослого  человека в среднем от 1100- 2000 г.

Головной мозг подразделяют на три основных отдела: ствол, мозжечок, конечный мозг ( полушария большого мозга) ( рис.1) [1].

Рис.1 Строение головного мозга  человека

Таблица 1 - Основные отделы головного мозга и их функции

 

Отделы головного мозга	Функции отделов
I Задний мозг 1)Продолговатый мозг	Выполняет рефлекторную и проводниковую  функции: регулирует пищеварение, дыхание, сердечно-сосудистую деятельность, жевание, глотание, а также такие защитные рефлексы как: кашель, чихание, рвота.
2) мост	Через него проходят нервные пути, связывающие передний и средний мозг с продолговатым и спинным. От него отходят лицевые и слуховые нервы.
3)мозжечок	Регулирует координацию движения и равновесия тела.
II Средний мозг	Поддерживает тонус мышц организма, ориентирует рефлексы на звуковые и зрительные раздражения.
III Передний мозг 1) Промежуточный мозг	Управляет сложными двигательными  рефлексами ( бег, прыжки ), обменом в-в, поддерживает постоянную температуру  тела, регулирует потребностью организма  в пищи и воде, согласует работу различных внутренних органов.
2)Большие полушария а)лобная  доля	Кора больших полушарий - это  высший отдел ЦНС. Он отвечает за речь, мышление, память, поведение, за поступление  в нос и восприятие информации. В ней расположены вкусовая и  обонятельная зоны, а также чувствительные центры, отвечающие за трудовую деятельность. От развития лобной доли зависит уровень психического состояния человека.
б) затылочная доля	В ней расположен зрительный центр, отвечающий за восприятия и преобразование зрительных импульсов.
в) Две височ- ные доли	В них расположены слуховые зоны.
г) Две теменные доли	В них расположены двигательные, кожно-мускульные ( осязательные центры ), чувствительные центры, которые воспринимают импульсы от кожи, суставов костей скелета  и мышц.

Электроэнцефалография как метод исследования. Описание и анализ ЭЭГ

 

Клиническая электроэнцефалография (ЭЭГ) - раздел электрофизиологии центральной  нервной системы, предметом которого является исследование электрических  явлений головного мозга человека преимущественно в диапазоне частот от 0,5 до 35 кол./с; это метод исследования деятельности головного мозга, в основе которого лежит регистрация спонтанно возникающих (метод классической ЭЭГ) или вызванных в ответ на различные афферентные раздражения электрических потенциалов мозга (метод ВП).

Высокая корреляция биоэлектрической активности головного мозга с  уровнем бодрствования, состоянием метаболизма, гемо- и ликвороциркуляции, возможность улавливать начальные  и скрытые формы патологии  мозга, использовать его у обездвиженных больных и больных в коматозном состоянии, неинвазивность метода хорошо известны и признаны бесспорными. Основными анализируемыми параметрами являются частота и  амплитуда волновой активности. Кроме записи ЭЭГ используют функциональные пробы: экстероцептивные (световые, слуховые и др.), проприоцептивные, вестибулярные раздражители, гипервентиляция, сон. Наиболее вероятно, что ЭЭГ отражает алгебраическую сумму возбуждающих и тормозных постсинаптических сигналов (ВПСП и ТПСП) множества нейронов. Регистрация биоэлектрической активности головного мозга (спонтанной или вызванной) в клинике осуществляется:

-при отведении электрических  потенциалов от конвекситальной  поверхности мозга с помощью  макроэлектродов, расположенных  на поверхности головы (по международной схеме 10-20), а при специальных электродах (ушных, назальных) - от его базальных латеральных отделов;

-при отведении электрических  потенциалов с открытой поверхности  мозга непосредственно от коры  больших полушарий или с помощью  электродов, погруженных внутрь коры (ЭКоГ - электрокортикограмма);

-при отведении электрических  потенциалов от глубоких отделов  мозга с помощью интрацеребральных  микроэлектродов (ЭСКоГ - электросубкортикограмма).

По частоте и амплитудным  характеристикам выделяют следующие ритмы ЭЭГ:

Альфа-ритм (8-13 Гц; 30-150 мкВ) - основной ритм ЭЭГ, преобладающий в состоянии покоя. Он хорошо выражен в задних отделах (затылочно-теменных) в условиях покоя, в темноте, при закрытых глазах.Частота альфа-ритма длительное время остается постоянной и только к старости снижается до нижних границ нормы. У 15% здоровых людей альфа-ритм отсутствует. Альфа-ритм регистрируется преимущественно в затылочных, затылочно-теменных, затылочно-височных, затылочно-теменновисочных областях мозга. В затылочных областях его амплитуда достигает наибольшей величины, с декрементом уменьшаясь к передним отделам. Во всех областях альфа-ритм имеет одну и ту же частоту и постоянные фазовые соотношения. В доминантном полушарии альфа-ритм может быть ниже по амплитуде на 10-15 мкВ. Амплитуда альфа-волн испытывает модуляцию, в результате чего альфа-волны собираются в своеобразные веретена длительностью от 0,5 до 5 с, формируя характерный (модулированный) внешний вид альфа-ритма (рис. 12.14, д). Альфа-ритм - своеобразная функциональная характеристика состояния коры мозга. При любом активировании или угнетении мозга (афферентные раздражения, умственное напряжение, волнение, сон, наркоз и др.) альфа-ритм одновременно в симметричных областях исчезает или уменьшается по амплитуде (десинхронизируется, блокируется). По окончании действия раздражителей он вновь восстанавливается. Степень угашения этой ЭЭГ-реакции характеризует степень реактивности мозга. При патологии альфа-ритм значительно изменяется по всем своим характеристикам: частота его снижается, амплитуда может как возрастать, так и уменьшаться, вершины волн заостряются, сглаживаются региональные различия альфа-ритма, снижается реактивность. В пораженном полушарии альфа-ритм изменен в большей степени. При начальной стадии развития опухоли и других процессах альфа-ритм, отражая явления раздражения мозговой ткани, в пораженном полушарии может иметь более высокую амплитуду при сниженной частоте и ослабленной реактивности(рис.2).

Бета-ритм (14-30 Гц, 10-30 мкВ) более выражен в передних отделах (фронтальные и центральные области). Появляется при интеллектуальной активности мозга, например, при решении задач, а также при фото- и фонос-тимуляции. Нервное напряжение и беспокойство приводят к уменьшению альфа-ритма и появлению бета- ритма. При патологии изменению подвергаются все параметры бета-ритма: частота, амплитуда, пространственное расположение, реакции на раздражители.

Гамма-ритм (30-50Гц, до 10 мкВ, в ряде случаев частота достигает 120 Гц), в основном, регистрируется в передних отделах мозга. Он появляются при чрезмерном эмоциональном возбуждении , при сенсорной активации коры больших полушарий.

Тета-ритм (4-7 Гц, 100-150 мкВ) в основном регистрируется в теменной и височной областях. Тета- активность наблюдается при засыпании. Односторонний тета-ритм указывает на наличие очагового коркового поражения.  В ЭЭГ здорового человека низкоамплитудный тета-ритм (25-40 мкВ) появляется в центральных областях мозга с возрастом и при эмоциональных напряжениях. Если амплитуда тэта-ритма превосходит 40 мкВ, то это уже патологический тета-ритм. Он отражает вовлечение в патологический процесс, видимо, глубоких отделов мозга. Амплитуда его при патологических состояниях может достигать до 300 мкВ и выше. У взрослого человека в состоянии бодрствования признаком патологии следует считать: 1) высокое содержание симметричных тэта-волн; 2) асимметричные тэта-волны; 3) пароксизмальные тэта- волны.

Вспышки тэта-ритма и дельта-ритмов указывают на локализацию патологического  процесса в подкорковых и стволовых структурах мозга.

Дельта-ритм (0,5-3 Гц, 150-200 мкВ) в основном у взрослых регистрируется в затылочной области при глубоком сне или при наркозе. Его появление указывает на снижение тонуса коры. Локальное появление дельта-ритма у взрослого в состоянии бодрствования указывает на наличие очагового коркового поражения.   В состоянии бодрствования встречаются только единичные дельта-колебания с низкой амплитудой (не более 20 мкВ), преимущественно в височных и центральных областях и в возрасте 40-50 лет. Низкоамплитудный дельта-ритм (до 20-30 мкВ) у взрослого человека свидетельствует о снижении уровня функциональной активности мозга; очаговое или генерализованное появление медленного, особенно высокоамплитудного, ритма является патологией. Максимальная амплитуда его регистрируется на границе очага. Это место называют дельта-фокусом. 

Мю-ритм, который по частотно-амплитудным характеристикам сходен с альфа-ритмом, но преобладает в передних отделах коры больших полушарий;

Сигма-ритм - это учащенный альфа-ритм, или "веретена" сна, или "сонные веретена", которые представляют собой веретенообразную активность с частотой колебаний 12-18 Гц;