Проектирование микропроцессорных СИ "Электроэнцефалограф"

Пики - острые волны с частотой 50 Гц и амплитудой до 100 мкВ;

острые волны - колебания с расширенным основанием волны и острой вершиной (частота 3-5 Гц, амплитуда 20-200 мкВ);

Спайки - колебания, подобные потенциалу действия;

           Быстрые асинхронные колебания - множественные быстрые пики с амплитудой волны до 100 мкВ;

Комплексы ("пик-волна", "острая волна - медленная волна");

Сверхмедленные колебания (менее 0,5 Гц), в том числе омега- потенциал, который используется для оценки типа высшей нервной деятельности; зарегистрированы и более низкие частоты электрических потенциалов головного мозга вплоть до периодов порядка нескольких часов и суток (запись по этим частотам выполняется с помощью ЭВМ)  В настоящее время дифференцированы следующие виды спонтанной сверхмедленной биоэлектрической активности, различающиеся по амплитудно-временным характеристикам и физиологической значимости:

-устойчивый потенциал милливольтового  диапазона (омега-потенциал), проявляющийся  в виде плавных или скачкообразных  сдвигов разной интенсивности  (единицы, десятки мВ); регистрируется  между различными структурами  мозга: кора - белое вещество, кора - ликвор, кора - кровь; при бодрствовании он отрицателен, во сне и наркозе - положителен;

-сверхмедленные колебания  потенциалов секундного, декасекундного  и минутного диапазонов, представленные  ритмическими и апериодическими  флуктуациями разной интенсивности и регулярности; эти потенциалы тесно связаны с механизмами нейрогуморальной и биохимической регуляции многих нормальных и патологических состояний.

При различных заболеваниях головного  мозга на ЭЭГ появляются патологические изменения биоэлектрической активности. На основании их анализа можно установить сторону поражения, локализацию первичного патологического очага, отличить диффузный патологический процесс от очагового, поверхностный от глубинного, дифференцировать эпилептическую активность, определить характер реактивности коры на раздражения, глубину коматозного состояния, оценить эффективность проводимого лечения, наблюдать за динамикой патологического процесса [2].

	дельта-волны   0.5-3,5 колебания/с
	тета-волны   4-7,5 колебания/с
	альфа-волны   8- 13 колебаний/с
	бета-волны   13,5-30 колебаний/с

 

Рисунок 2.Основные виды ритмов электроэнцефалографии

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.

Обзор устройств 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.3.а), которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки (рис.3.г);

2) игольчатые электроды (рис.3.б);

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

4) базальные электроды;

5) пиальные электроды;

6) многоэлектродные иглы.

Рис. 3. Типы электродов и крепление их на голове

 

 

Разработка структурной схемы

Рис.4. Структурная схема Электроэнцефалографа

Разрабатываемый электроэнцефалограф  имеет 24 канала, чтобы реализовать  высококачественное измерение потенциалов  с электродов по международной системе 10-20 %. Структурная схема прибора представлена на рис. 4.  Она состоит из следующих основных блоков: 

Биообъект – им является головной мозг человека. В качестве регистрируемых параметров используются мозговые волны, различной частоты и амплитуды. На голову пациента крепятся ЭЭГ электроды по системе «10-20%». В качестве электродов будут использованы электроды, разрабатываемые в ТПУ в НИИ Интроскопии в лаборатория 63 типа ЭСЭГ-1 и ЭСЭГ-2. Далее, снимаемые сигналы поступают на блок усиления, т.е. подаются на входы усилительно-регистрирующих устройств. Для осуществления управляемой передачи аналоговой информации от датчиков к исполнительным механизмам(сигма-дельта АЦП) широко используются аналоговые ключи. Далее после коммутатора сигнал поступает на сигма-дельта АЦП. Использование многоразрядных АЦП в приборах регистрации биопотенциалов позволяет "передвинуть" проблемы конструирования, связанные с буферными усилителями, фильтрами и другими вспомогательными устройствами, в область высоких частот. Вследствие высокой тактовой частоты (реальной частоты квантования) АЦП. Программируемый коэффициент усиления без ощутимого ухудшения параметров расширяет диапазон исследуемых сигналов, что сильно влияет на точность исследования слабых сигналов. Так как данный прибор построен на основе сигма-дельта АЦП, который имеет встроенные фильтры и программируемый коэффициент, то нам достаточно обеспечить усиление входного сигнала до уровня, необходимого для подачи его в преобразователь, принцип работы которого будет описан. Нам не требуется аналоговые фильтры для подавления помех, их устранение происходит программно. Далее после АЦП оцифрованный сигнал поступает на МК, далее по интерфейсу RS-232 на ПК.

Разработка  принципиальной схемы

Выбор элементов принципиальной схемы

1. Блок усиления

В качестве отведений были использованы наноэлектроды, типа ЭСЭГ. После отведения электрические потенциалы подаются на входы усилительно-регистрирующих устройств. Входная коробка электроэнцефалографа содержит 24 пронумерованных контактных гнезда, с помощью которых к электроэнцефалографу может быть подсоединено соответствующее количество электродов. Помимо этого, на коробке имеется гнездо нейтрального электрода, соединенного с приборной землей усилителя и поэтому обозначаемого знаком заземления. Соответственно электрод, установленный на теле обследуемого и подсоединяемый к этому гнезду называется электродом заземления. Он служит для выравнивания потенциалов тела пациента и усилителя. Чем ниже подэлектродный импеданс нейтрального электрода, тем лучше выровнены потенциалы и, соответственно, меньшее синфазное напряжение помехи будет приложено на дифференциальные входы[3].

Определим основные требования к усилителям, несоблюдение которых приведет к  искажению сигнала, снимаемого с  головы человека. Они заключаются  в следующем: 

1) Входное сопротивление должно быть достаточно высоким (106 – 1011 Ом) на 2 – 3 порядка выше переходного сопротивления используемого отведения. Это требование обусловлено малой мощностью (доли мкВт) источника биопотенциалов и большим сопротивлением     отводящего     электрода,     образующим     делитель     с     входным сопротивлением     усилителя.      При     использовании     многоканальных     аппаратов последовательно переходному сопротивлению отведения включается группа параллельно соединенных входных сопротивлений усилительных каналов, в силу чего сигнал может быть значительно ослаблен.

2) Ток во входной цепи должен быть минимальным, т.к. он может повлиять на результаты измерения    (возникновение    ложного    потенциала).    Одна    из    основных    ошибок, обусловленная влиянием входного тока, имеет место вследствие изменения свойств исследуемого объекта в результате его поляризации.

3) Входная емкость должна иметь малую величину. Может происходить интегрирование коротких импульсов.

 Частотные свойства входного  устройства характеризуются  , которая равна:

	(1)

где - сопротивление электрода.

Для неискаженной передачи сигнала  необходимо уменьшать  , что возможно за счет уменьшения сопротивления электрода и входной емкости усилителя.

4)   Входной каскад должен  обладать малым уровнем собственного  шума, т.к.  он, как правило, определяет  уровень шума всего усилителя.  Приемлемым считается уровень  шума 2-3 мкВ в полосе пропускания частот до 10-15 кГц.

5)   Высокая устойчивость к  внешним помехам[4].

Имитация дифференциальных отведений, а одновременно и вычитание синфазной  помехой, производится полностью программным  способом. Из этого следует, что существует возможность при достаточном  числе входных каналов сформировать практически любую схему отведений или набор схем отведений - для этого не требуются прецизионные делители и малошумящие коммутирующие элементы.

 Так как данный прибор  построен на основе сигма-дельта  АЦП, который имеет встроенные фильтры и программируемый коэффициент, то нам достаточно обеспечить усиление входного сигнала до уровня, необходимого для подачи его в преобразователь. Нам не требуется аналоговые фильтры для подавления помех, их устранение происходит программно. Нам нужно обеспечить усиление 24-х каналов. С целью уменьшения затрат на приобретение радиодеталей и размеров конструкции вместо стандартных одноканальных усилителей были выбраны счетверенные типа К1401УД1 (рис. 5). Это позволило нам уменьшить количество усилителей с 24 до 6.

         Каждый  ОУ имеет  =50*103, полосу пропускания до 2,5 МГц. Характеристики данного усилителя приведены в таблице 2.

       Подбираем резисторы  таким образом, чтобы обеспечить  усиление входного сигнала в  1000 раз и чтобы входное сопротивление было выше на 2-3 порядка сопротивления используемого отведения.

Рис.5. Усилитель типа  К1401УД1.

 

Таблица 2 Технические параметры К1401УД1

Наименование параметра	Значение
	50 000
	-
	150
	до 2,5
	10
	12,5
	8,5
	15

 

Так как ЭСЭГ- электрод имеет полное сопротивление ( ) не более 5*10³ Ом, то это означает, что   должно быть порядка МОм. Коэффициент усиления при дифференциальном включении равен:

(2)

;

Т.к. информационные сигналы имеют микровольтовый диапазон, необходимо подобрать номиналы резисторов таким образом, чтобы обеспечить максимальное усиление. Как говорилось ранее, кОм. Пусть Мом, a кОм, тогда . Из номинальных значений промышленно выпускаемых резисторов (ряд Е192)выбираем сопротивление МОм и кОм типа С2 - 29В с допуском ±0,05%, мощностью 0,5 Вт. Данные резисторы относятся к прецизионным резисторам, отличающиеся высокой стабильностью   параметров  и,   предназначены  для  печатного  монтажа.

2. Коммутатор

Чтобы обеспечить использование сразу  нескольких параллельных каналов АЦП, выбираем два коммутатора: КР591КН2 и КР590КНЗ, каждый из которых имеет по два выхода. Таким образом, на АЦП поступают сразу четыре входных сигнала. На рис. 6. приведены условные графические обозначения микросхем. Микросхема КР590КНЗ содержит два четырехканальных АК со схемой управления на базе триггера. В зависимости от уровней сигналов, имеющихся на его входах, к выводам подключаются различные каналы (таблица 3)[5].