Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

На сегодняшний день электроэнцефалография (ЭЭГ) является доступным неинвазивным методом оценки функционального состояния головного мозга человека. Этот метод зарекомендовал себя, как эффективный инструмент диагностики и довольно широко применяется в настоящее время в клинической практике.

Тем не менее, современные энцефалографы нельзя назвать дешёвыми, а отечественные разработки уже давно не обновлялись. Задача данной работы спроектировать отечественный современный, недорогой и портативный одноканальный электроэнцефалограф предусмотрев тонкости электроэнцефалографии и помехи возникающие при исследовании.

1. Актуальность темы

Электроэнцефалография (ЭЭГ) мозга - диагностический метод, с помощью которого исследуется головной мозг Он является самым доступным методом определения состояния головного мозга, его активности и изменения состояния клеток при различных нагрузках. Благодаря применению современных технологий электроэнцефалограф дает точную информацию. Данный способ диагностики предоставляет возможность отражать схему активной деятельности всех систем головного мозга. ЭЭГ точно и четко показывает одни из важных параметров действия нервной системы. Этот фактор называется «свойством ритмичности». Он отражает согласованную работу разных структур и отделений, находящихся в мозге.

Электроэнцефалография(ЭЭГ) позволяет выявить следующие патологии:

  1. Последствия черепно-мозговых травм и хирургических операций;
  2. Эпилептические расстройства;
  3. Новообразования головного мозга, доброкачественные и злокачественные;
  4. Нарушения мозгового кровообращения, сосудистые патологии;
  5. Энцефалопатии и другие болезни головного мозга и ЦНС;

Электроэнцефалография(ЭЭГ) имеет большое значение при диагностике и лечении различных невротических расстройств (депрессии, бессонницы, истерии, панических атак и др.).

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является обоснование и постановка технических требований на разработку электронного устройства для мониторинга биологических ритмов головного мозга человека.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

  1. Обзор и анализ существующих электроэнцефалографов.
  2. Разработка технического задания на проектирование электронного блока обработки сигнала ЭЭГ.
  3. Обоснование и разработка структурной схемы электронного блока обработки сигнала ЭЭГ.

3. Виды электродов для электроэнцефалограммы

Биоэлектрическим электродом называется устройство, используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющее токосъемную поверхность и выходные элементы. Токосъемная поверхность – это часть поверхности электрода, непосредственно или через контактное вещество контактирующая с биообъектом и обеспечивающая съем биопотенциалов или соединение объекта с нейтральной клеммой. Кроме того, в биоэлектрическом электроде выделяют опорную поверхность – часть поверхности электрода, выполняющую опорную функцию при креплении электрода на биообъекте. При помощи электродов происходит преобразование ионных потенциалов в электронные (в напряжения и токи в проводниках первого рода). Биоэлектрические электроды классифицируются по различным признакам, основными из которых являются особенности участия электродов в съеме биопотенциалов, кратность применения, продолжительность контактирования с биообъектом при одном исследовании, характер исследуемого источника биоэлектрического поля, место наложения или введения, способ удержания в контакте с поверхностью биообъекта и некоторые другие. В зависимости от участия в съеме биопотенциалов различают следующие виды электродов. Потенциальный электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, находящимся в электрическом поле исследуемого органа; нулевой электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, в котором потенциал электрического поля исследуемого органа, ткани, клетки стремится к нулю; нейтральный электрод – электрод, не участвующий в съеме биоэлектрических потенциалов, подключенный к нейтральной клемме измерительного прибора.

В зависимости от исследуемого источника биоэлектрического поля электроды делят на следующие основные типы:

  1. электрокардиографические и электроэнцефалографические, накладываемые без нарушений кожных и костных покровов;
  2. электрокортикографические – для съема биопотенциалов с поверхности обнаженной коры головного мозга;
  3. электромиелографические – для исследования биопотенциалов спинного мозга;
  4. электромиографические – для съема биопотенциалов мышечных волокон;
  5. электроокулографические – для съема биопотенциалов, возникающих при движении глазного яблока;
  6. электроретинографические, накладываемые на сетчатку глаза;
  7. электрогастрографические – для исследования биопотенциалов, вызванных электрической активностью желудка;
  8. электрокохлеографические – для съема биопотенциалов, вызванных активностью структур наружного, среднего и внутреннего уха.

По месту наложения или введения выделяют кожные, роговичные электроды, электроды для вскрытых органов, полостные электроды для введения в естественные полости организма, внутритканевые электроды и микроэлектроды, токосъемная поверхность которых предназначена для съема электрических потенциалов клетки и ее структур. Первые три вида электродов относятся к поверхностным электродам. Внутриполостные электроды в свою очередь подразделяются в зависимости от места введения в организм.

Типы, размеры и некоторые конструктивные особенности электродов, используемых в различных видах электрофизиологических исследований, определяются стандартами. Материал и структура электродов стандартом не оговариваются. Стандартами также устанавливается ряд важных электрических параметров электродов: разность электрических потенциалов двух электродов в отведении, дрейф разности потенциалов, напряжение шумов, полное электрическое сопротивление, методы и средства испытаний электродов.

В электроэнцефалографии применяют несколько видов ЭЭГ электродов, которые различаются как по форме, так и по способу их фиксации на голове:

  1. Контактные накладные неприклеивающися электроды, которые прилегают к голове при помощи тяжей шлема-сетки;
  2. Мостиковые электроды;
  3. Приклеивающиеся электроды;
  4. Базальные электроды;
  5. Игольчатые электроды;
  6. Чашечковые электроды;
  7. Многоэлектродные иглы.
типы электродов для ээг

Рисунок 1 – Типы электродов для ЭЭГ

Современные аппараты ЭЭГ оснащают электродными шлемами с вмонтированными чашечковыми электродами. Наряду со шлемами рекомендуется использование сетчатых шлемов для крепления двух типов электродов: чашечковых или мостиковых.

чашечковые и мостиковые электроды

Рисунок 2 – Чашечковые и мостиковые электроды

4. Обобщённая структурная схема устройства

Электрические потенциалы, которые мы будем улавливать, имеют небольшую амплитуду, в норме она составляет 50-150 мкВ. Поэтому мы должны как можно качественнее усилить сигнал, для этого мы будем использовать усилители с коэффициентом усиления в 20-100 тысяч. Необходимо учитывать, что при регистрации на снимаемый сигнал будут действовать мощные электромагнитные поля, создаваемые любыми электрическими приборами, находящимися вокруг. На сигнал, снимаемый с поверхности головы, будет влиять помеха, в виде синфазного напряжения. Чтобы избежать этого напряжения применяются дифференциальные усилители, которые устраняют напряжение, в одинаковой мере действующее на оба входа и усиливает напряжение разности.

Современный электроэнцефалограф - это многоканальное устройство регистрации, позволяющее улавливать электрическую активность головного мозга за счет большого числа электродов, установленных на голове обследуемого. Важно правильное расположение электродов, потому что потенциалы, снятые с различных точек, различаются. Существует два вида записи электроэнцефалограммы: монополярный и биполярный. Во время монополярной записи, сигнал является электрически активным только относительно какой-нибудь нейтральной точки (мочка уха). Биполярный способ заключается в разности потенциалов между электродами, которые находятся в электрически активных точках. Мы буем снимать сигнал монополярным способом, потому что он позволяет анализировать вклад определенной зоны мозга.

К материалу электродов выдвигаются определенные требования, они не должены поляризоваться во время съема сигнала. Из-за контакта кожаэлектрод на электроде накапливаются ионы вследствие электрохимических процессов. Данный процесс приводит к искажениям, так как к снимаемому сигналу прибавляется постоянная составляющая. Лучшим материалом с точки зрения надежности является серебро. В случае возникновения поляризации, серебряный электрод подвергают хлорированию, что вызывает появление на поверхности электрода слоя хлорида серебра. Также для лучшего контакта используют электродную пасту или раствор. В настоящее время получают все большее распространение сухие электроды, например, штыревые, для контакта на волосистой части головы.

От головы, по электроду электрический потенциал подается на вход усилителей, которые обеспечивают уменьшение входного сопротивления, которое образуется за счет контакта кожа-электрод. Количество усилителей соответствует числу электродов. Электроды присоединяются к прибору за счет входной коробки, которая содержит пронумерованные гнезда, и может осуществлять выбор определенной пары электродов, между которыми будет сниматься. Так же в коробке имеется нейтральный электрод, соединенный с приборной землей, за счет которого мы выравниваем потенциалы тела человека и усилителей. Чем ниже сопротивление под нейтральным электродом, тем лучше выравнены потенциалы, следовательно, меньше синфазная помеха, влияющая на исследуемый сигнал.

Структурная схема портативного энцефалографа показана на рисунке 3. Схема электроэнцефалографа состоит из двух частей – аналоговой и цифровой. Аналоговая часть представляет собой сигнал, полученный с входных электродов, каждый из которых соединен с предусилителем, для обеспечения снижения входного сопротивления кожа-электрод. Далее сигнал поступает на усилитель. Усиленный сигнал поступает на АЦП, а затем на микроконтроллер, который осуществляет фильтрацию сигнала от шумов - это цифровая часть схемы.

Обобщённая структурная схема устройства

Рисунок 3 – Обобщённая структурная схема устройства

5. Виды артефактов на ЭЭГ

Современные электроэнцефалографы обладают высокой чувствительностью и хорошей помехозащищенностью, что позволяет регистрировать качественную ЭЭГ практически в любых условиях. Однако, регистрация паразитных сигналов или шумов все-таки возможна, так как любой ЭЭГ-комплекс в конечном итоге регистрирует электрическую активность, а электрическая активность мозга гораздо ниже по амплитуде, чем, например, активность сердца, мышц.

Пример ЭЭГ

Рисунок 4 – Пример съема ЭЭГ

Выделяют несколько видов типовых артефактов при регистрации ЭЭГ:

Физиологические артефакты

  1. ЭКГ-артефакт. Так как электрическая активность от сокращения сердечной мышцы гораздо выше по амплитуде, чем активность головного мозга, на ЭЭГ нередко можно увидеть выраженные острые пики от QRS-комплексов. Особенно ЭКГ-артефакт проявляется, если один из электродов установлен в непосредственной близости от сосуда. Основная опасность в артефакте ЭКГ состоит в том, что его можно принять за спайк-активность. Поэтому при проведении ЭЭГ-обследований рекомендуется дополнительно регистрировать один канал ЭКГ.
  2. ЭОГ-артефакт. Данный вид артефактов, пожалуй, является самым распространенным при регистрации ЭЭГ, особенно в пробе с открытыми глазами. Этот артефакт вызван движением глаз обследуемого и наиболее выражен в лобных отведениях. Иногда этот артефакт можно ошибочно принять за медленно-волновую активность на ЭЭГ. Поэтому при проведении ЭЭГ-обследований рекомендуется регистрировать один-два канала электроокулограммы.
  3. ЭМГ-артефакт. Электромиографический артефакт часто регистрируется в затылочных отведениях, когда у обследуемого напряжены мышцы шеи. ЭМГ-артефакт проявляется в выраженной высокочастотной помехе. Чтобы избавиться от данного артефакта рекомендуется использовать для регистрации ЭЭГ кресло с подголовником.
  4. Артефакт КГР. Артефакт кожно-гальванической реакции может регистрироваться, когда обследуемый нервничает во время проведения ЭЭГ-обследования. Этот артефакт выражается в медленно-волновой составляющей или так называемой "плавающей" ЭЭГ. Обычно этот артефакт проходит после нескольких минут спокойной записи.

Нефизиологические артефакты

  1. Артефакт движения электрода. Иногда во время проведения ЭЭГ-обследования пациенту сложно оставаться в неподвижном состоянии. Естественно, что любое движение приводит к артефакту. Кроме движения пациента электрод также со временем может сдвинуться, спровоцировав тем самым артефакт.
  2. Артефакт движения кабеля. При движении головы во время обследования все кабели, соединяющие электроды с блоком усилителя, также совершают движения, наводя артефакт на ЭЭГ. Для минимизации данного вида артефактов все кабели от электродов перед стартом записи рекомендуется собирать в косу.
  3. Артефакт от питающей электрической сети. Одним из наиболее значимых нефизиологических артефактов является наводка от питающей сети (50 Гц или 60 Гц в зависимости от страны). Довольно длительное время электроэнцефалографы могли работать только в специализированных экранированных помещениях вдали от электрической проводки и радиоволн. Однако современные ЭЭГ-регистраторы имеют встроенные аппаратные и программные фильтры для эффективного подавления помехи от питающей сети, что позволяет регистрировать ЭЭГ высокого качества в любом неэкранированном помещении даже вблизи от электрической проводки и работающих электрических приборов.

Выводы

Были проанализированы методы получения электроэнцефалограммы, а также особенности помех и артефактов возникающих при исследовании.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче обоснования и разработки структуры портативного электроэнцефалографа. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Проанализированы факторы, влияющие на результат измерений.
  2. Разработана математическая модель, описывающая процесс измерения с учётом внешних влиящих факторов.
  3. Разработана и дополнена структурная схема портативного измерительного устройства (электроэнцефалографа).
  4. Рассмотрены возможности устранения и минимизации погрешности от факторов, влияющих на процесс измерения.
  5. Оценены требования к программному обеспечению устройства.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на следующие аспекты:

  1. Качественное совершенствование предложенных способов устранения и минимизации погрешности от влиящих факторов.
  2. Определение границ эффективности данного средства измерения, поиск новых преимуществ работы устройства и устранение возможных недостатков.
  3. Разработка более качественного программного обеспечения.
  4. Разработка физической модели устройства.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь-июль 2023 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. К. В. Зайченко, О. О. Жаринов,А. Н. Кулин, Л. А. Кулыгина, А. П. Орлов. Съём и обработка биоэлектрических сигналов.-Санкт-Петербург,2001г.
  2. Симон В.А. Разработка и исследование средств регистрации и обработки биосигналов для управления режимами работы медицинских комплексов.-Санкт-Петербург,2019г.
  3. Фурно, Г. Микропроцессорные медицинские системы: Проектирование и применения [Текст] : учеб. пособие : пер. с англ. / Г. Фурно, Д. Дас, Г. Спренгер. – М. : Мир, 1983. – 544 с.
  4. Цифровая обработка сигналов и MATLAB [Текст] : учеб. пособие / А. И. Солонина [и др.]. – СПб. : СПбЛТА, 2001. – 231 с.
  5. Глинченко, А. С. Цифровая обработка сигналов [Электронный ресурс] : курс лекций / А. С. Глинченко – Версия 1.0. – Электрон, дан. – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).
  6. Русинов В.С. Клиническая электроэнцефалография.-М.:Медицина.-1973.
  7. Гольденберг, Л.М. Цифровая обработка сигналов / Л.М. Гольденберг,Б.Д.Матюшкин, М.Н. Поляк. – М.: Радио и связь, 1990. – 256 с.