Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Введення

На сьогодні електроенцефалографія (ЕЕГ) є доступним неінвазивним методом оцінки функціонального стану головного мозку людини. Цей метод зарекомендував себе як ефективний інструмент діагностики і досить широко застосовується нині в клінічній практиці.

Проте сучасні енцефалографи не можна назвати дешевими, а вітчизняні розробки вже давно не оновлювалися. Завдання цієї роботи спроектувати вітчизняний сучасний, недорогий і портативний одноканальний електроенцефалограф, передбачивши тонкощі електроенцефалографії та перешкоди, що виникають під час дослідження.

1.Актуальність теми

Електроенцефалографія (ЕЕГ) мозку - діагностичний метод, за допомогою якого досліджується головний мозок Він є найдоступнішим методом визначення стану головного мозку, його активності та зміни стану клітин за різних навантажень. Завдяки застосуванню сучасних технологій електроенцефалограф дає точну інформацію. Цей спосіб діагностики надає можливість відображати схему активної діяльності всіх систем головного мозку. ЕЕГ точно і чітко показує одні з важливих параметрів дії нервової системи. Цей фактор називається "властивістю ритмічності". Він відображає узгоджену роботу різних структур і відділень, що знаходяться в мозку.

Електроенцефалографія (ЕЕГ) дає змогу виявити такі патології:

  1. Наслідки черепно-мозкових травм і хірургічних операцій;
  2. Епілептичні розлади;
  3. Новоутворення головного мозку, доброякісні та злоякісні;
  4. Порушення мозкового кровообігу, судинні патології;
  5. Енцефалопатії та інші хвороби головного мозку і ЦНС;

Електроенцефалографія (ЕЕГ) має велике значення під час діагностики та лікування різних невротичних розладів (депресії, безсоння, істерії, панічних атак тощо).

2. Мета і завдання дослідження, плановані результати

Метою роботи є обґрунтування та постановка технічних вимог на розробку електронного пристрою для моніторингу біологічних ритмів головного мозку людини.

У рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за такими напрямами:

  1. Огляд і аналіз наявних електроенцефалографів.
  2. Розроблення технічного завдання на проектування електронного блоку обробки сигналу ЕЕГ.
  3. Обґрунтування та розробка структурної схеми електронного блока обробки сигналу ЕЕГ.

3. Види електродів для електроенцефалограми

Біоелектричним електродом називається пристрій, що використовується під час знімання біоелектричних потенціалів, має струмознімну поверхню і вихідні елементи. Струмознімна поверхня - це частина поверхні електрода, яка безпосередньо або через контактну речовину контактує з біооб'єктом і забезпечує знімання біопотенціалів або з'єднання об'єкта з нейтральною клемою. Крім того, у біоелектричному електроді виокремлюють опорну поверхню - частину поверхні електрода, що виконує опорну функцію при кріпленні електрода на біооб'єкті. За допомогою електродів відбувається перетворення іонних потенціалів на електронні (на напруги і струми в провідниках першого роду). Біоелектричні електроди класифікують за різними ознаками, основними з яких є особливості участі електродів у зніманні біопотенціалів, кратність застосування, тривалість контактування з біооб'єктом під час одного дослідження, характер досліджуваного джерела біоелектричного поля, місце накладення або введення, спосіб утримання в контакті з поверхнею біооб'єкта і деякі інші. Залежно від участі в зніманні біопотенціалів розрізняють такі види електродів. Потенційний електрод - відвідний електрод, що контактує з ділянкою біооб'єкта, яка перебуває в електричному полі досліджуваного органа; нульовий електрод - відвідний електрод, що контактує з ділянкою біооб'єкта, в якій потенціал електричного поля досліджуваного органа, тканини, клітини наближається до нуля; нейтральний електрод - електрод, що не бере участь у зніманні біоелектричних потенціалів, під'єднаний до нейтральної клеми вимірювального приладу.

Залежно від досліджуваного джерела біоелектричного поля електроди ділять на такі основні типи:

  1. електрокардіографічні та електроенцефалографічні, що накладаються без порушень шкірних і кісткових покривів;
  2. електрокортикографічні - для знімання біопотенціалів із поверхні оголеної кори головного мозку;
  3. електромієлографічні - для дослідження біопотенціалів спинного мозку;
  4. электромиографические – для съема биопотенциалов мышечных волокон;
  5. електроокулографічні - для знімання біопотенціалів, що виникають під час руху очного яблука;
  6. електроретинографічні, що накладаються на сітківку ока;
  7. електрогастрографічні - для дослідження біопотенціалів, викликаних електричною активністю шлунка;
  8. електрокохлеографічні - для знімання біопотенціалів, викликаних активністю структур зовнішнього, середнього і внутрішнього вуха.

За місцем накладення або введення виділяють шкірні, рогівкові електроди, електроди для розкритих органів, порожнинні електроди для введення в природні порожнини організму, внутрішньотканинні електроди і мікроелектроди, струмоз'ємна поверхня яких призначена для знімання електричних потенціалів клітини та її структур. Перші три види електродів належать до поверхневих електродів. Внутрішньопорожнинні електроди зі свого боку поділяються залежно від місця введення в організм.

Типи, розміри та деякі конструктивні особливості електродів, що використовуються в різних видах електрофізіологічних досліджень, визначають стандарти. Матеріал і структура електродів стандартом не обумовлюються. Стандарти також встановлюють низку важливих електричних параметрів електродів: різниця електричних потенціалів двох електродів у відведенні, дрейф різниці потенціалів, напруга шумів, повний електричний опір, методи і засоби випробувань електродів.

В електроенцефалографії застосовують кілька видів ЕЕГ електродів, які різняться як за формою, так і за способом їх фіксації на голові:

  1. Контактні накладні неприклеювальні електроди, які прилягають до голови за допомогою тяжів шолома-сітки;
  2. Мостикові електроди;
  3. Електроди, що приклеюються;
  4. Базальні електроди;
  5. Голчасті електроди;
  6. Чашечкові електроди;
  7. Багатоелектродні голки.
Типи електродів для ЕЕГ

Зображення 1 – Типи електродів для ЕЕГ

Сучасні апарати ЕЕГ оснащують електродними шоломами з вмонтованими чашечковими електродами. Поряд із шоломами рекомендується використання сітчастих шоломів для кріплення двох типів електродів: чашечкових або мостикових.

Чашечкові та мостикові електроди

Зображення 2 – Чашечкові та мостикові електроди

4. Узагальнена структурна схема пристрою

Електричні потенціали, які ми вловлюватимемо, мають невелику амплітуду, у нормі вона становить 50-150 мкВ. Тому ми маємо якомога якісніше посилити сигнал, для цього ми використовуватимемо підсилювачі з коефіцієнтом посилення у 20-100 тисяч. Необхідно враховувати, що під час реєстрації на сигнал, що знімається, діятимуть потужні електромагнітні поля, що створюються будь-якими електричними приладами, які знаходяться навколо. На сигнал, що знімається з поверхні голови, впливатиме перешкода у вигляді синфазної напруги. Щоб уникнути цієї напруги, застосовуються диференціальні підсилювачі, які усувають напругу, яка однаковою мірою діє на обидва входи, і підсилюють напругу різниці.

Сучасний електроенцефалограф - це багатоканальний пристрій реєстрації, що дає змогу вловлювати електричну активність головного мозку завдяки великій кількості електродів, встановлених на голові обстежуваного. Важливим є правильне розташування електродів, тому що потенціали, зняті з різних точок, різняться. Існує два види запису електроенцефалограми: монополярний і біполярний. Під час монополярного запису, сигнал є електрично активним тільки відносно якоїсь нейтральної точки (мочка вуха). Біполярний спосіб полягає в різниці потенціалів між електродами, які знаходяться в електрично активних точках. Ми будемо знімати сигнал монополярним способом, тому що він дає змогу аналізувати внесок певної зони мозку.

До матеріалу електродів висуваються певні вимоги, вони не повинні поляризуватися під час знімання сигналу. Через контакт шкіраелектрод на електроді накопичуються іони внаслідок електрохімічних процесів. Цей процес призводить до спотворень, оскільки до сигналу, що знімається, додається постійна складова. Найкращим матеріалом з точки зору надійності є срібло. У разі виникнення поляризації, срібний електрод піддають хлоруванню, що викликає появу на поверхні електрода шару хлориду срібла. Також для кращого контакту використовують електродну пасту або розчин. Нині набувають дедалі більшого поширення сухі електроди, наприклад, штирові, для контакту на волосистій частині голови.

Від голови, по електроду електричний потенціал подається на вхід підсилювачів, які забезпечують зменшення вхідного опору, що утворюється за рахунок контакту шкіра-електрод. Кількість підсилювачів відповідає числу електродів. Електроди приєднуються до приладу завдяки вхідній коробці, яка містить пронумеровані гнізда і може здійснювати вибір певної пари електродів, між якими буде зніматися. Так само в коробці є нейтральний електрод, з'єднаний з приладовою землею, за рахунок якого ми вирівнюємо потенціали тіла людини і підсилювачів. Що нижчий опір під нейтральним електродом, то краще вирівняні потенціали, отже, менша синфазна перешкода, що впливає на досліджуваний сигнал.

Структурна схема портативного енцефалографа показана на зображеннi 3. Схема електроенцефалографа складається з двох частин - аналогової та цифрової. Аналогова частина являє собою сигнал, отриманий із вхідних електродів, кожен із яких з'єднаний із передпідсилювачем, для забезпечення зниження вхідного опору шкіра-електрод. Далі сигнал надходить на підсилювач. Посилений сигнал надходить на АЦП, а потім на мікроконтролер, який здійснює фільтрацію сигналу від шумів - це цифрова частина схеми. Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)

Узагальнена структурна схема пристрою

Зображення 3 – Узагальнена структурна схема пристрою

5. Види артефактів на ЕЕГ

Сучасні електроенцефалографи мають високу чутливість і хорошу перешкодозахищеність, що дає змогу реєструвати якісну ЕЕГ практично в будь-яких умовах. Однак реєстрація паразитних сигналів або шумів усе-таки можлива, оскільки будь-який ЕЕГ-комплекс зрештою реєструє електричну активність, а електрична активність мозку набагато нижча за амплітудою, ніж, наприклад, активність серця, м'язів.

Приклад ЕЕГ

Зображення 4 – Приклад ЕЕГ

Виділяють кілька видів типових артефактів під час реєстрації ЕЕГ:

Фізіологічні артефакти

  1. ЕКГ-артефакт. Оскільки електрична активність від скорочення серцевого м'яза набагато вища за амплітудою, ніж активність головного мозку, на ЕЕГ нерідко можна побачити виражені гострі піки від QRS-комплексів. Особливо ЕКГ-артефакт проявляється, якщо один з електродів встановлений у безпосередній близькості від судини. Основна небезпека в артефакті ЕКГ полягає в тому, що його можна прийняти за спайк-активність. Тому під час проведення ЕЕГ-обстежень рекомендується додатково реєструвати один канал ЕКГ.
  2. ЕОГ-артефакт. Цей вид артефактів, мабуть, є найпоширенішим під час реєстрації ЕЕГ, особливо в пробі з відкритими очима. Цей артефакт викликаний рухом очей обстежуваного і найбільш виражений у лобових відведеннях. Іноді цей артефакт можна помилково прийняти за повільно-хвильову активність на ЕЕГ. Тому під час проведення ЕЕГ-обстежень рекомендується реєструвати один-два канали електроокулограми.
  3. ЕМГ-артефакт. Електроміографічний артефакт часто реєструється в потиличних відведеннях, коли в обстежуваного напружені м'язи шиї. ЕМГ-артефакт проявляється у вираженій високочастотній перешкоді. Щоб позбутися цього артефакту, рекомендується використовувати для реєстрації ЕЕГ крісло з підголівником.
  4. Артефакт КГР. Артефакт шкірно-гальванічної реакції може реєструватися, коли обстежуваний нервує під час проведення ЕЕГ-обстеження. Цей артефакт виражається в повільно-хвильовій складовій або так званій "плаваючій" ЕЕГ. Зазвичай цей артефакт минає після кількох хвилин спокійного запису.

Нефізіологічні артефакти

  1. Артефакт руху електрода. Іноді під час проведення ЕЕГ-обстеження пацієнту складно залишатися в нерухомому стані. Природно, що будь-який рух призводить до артефакту. Крім руху пацієнта електрод також з часом може зрушитися, спровокувавши тим самим артефакт.
  2. Артефакт руху кабелю. Під час руху голови під час обстеження всі кабелі, що з'єднують електроди з блоком підсилювача, також здійснюють рухи, наводячи артефакт на ЕЕГ. Для мінімізації цього виду артефактів усі кабелі від електродів перед стартом запису рекомендується збирати в косу.
  3. Артефакт від живильної електричної мережі. Одним із найбільш значущих нефізіологічних артефактів є наводка від живильної мережі (50 Гц або 60 Гц залежно від країни). Досить тривалий час електроенцефалографи могли працювати тільки в спеціалізованих екранованих приміщеннях подалі від електричної проводки та радіохвиль. Однак сучасні ЕЕГ-реєстратори мають вбудовані апаратні та програмні фільтри для ефективного придушення завад від живильної мережі, що дає змогу реєструвати ЕЕГ високої якості в будь-якому неекранованому приміщенні, навіть поблизу від електричної проводки та електричних приладів, що працюють.

Висновки

Було проаналізовано методи отримання електроенцефалограми, а також особливості перешкод і артефактів, що виникають під час дослідження.

Магістерська робота присвячена актуальному науковому завданню обґрунтування та розроблення структури портативного електроенцефалографа. У рамках проведених досліджень виконано:

  1. Проаналізовано чинники, що впливають на результат вимірювань.
  2. Розроблено математичну модель, що описує процес вимірювання з урахуванням зовнішніх чинників впливу.
  3. Розроблено та доповнено структурну схему портативного вимірювального пристрою (електроенцефалографа).
  4. Розглянуто можливості усунення та мінімізації похибки від факторів, що впливають на процес вимірювання.
  5. Оцінено вимоги до програмного забезпечення пристрою.

Подальші дослідження мають бути спрямовані на такі аспекти:

  1. Якісне вдосконалення запропонованих способів усунення та мінімізації похибки від факторів, що впливають.
  2. Визначення меж ефективності даного засобу вимірювання, пошук нових переваг роботи пристрою та усунення можливих недоліків.
  3. Розробка більш якісного програмного забезпечення.
  4. Розробка фізичної моделі пристрою.

Під час написання цього реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень-липень 2023 року. Повний текст роботи і матеріали за темою можуть бути отримані в автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  1. К. В. Зайченко, О. О. Жарінов, А. Н. Кулін, Л. А. Кулигіна, А. П. Орлов. Знімання та обробка біоелектричних сигналів. -Санкт-Петербург, 2001р.
  2. Симон В.А. Розробка і дослідження засобів реєстрації та обробки біосигналів для управління режимами роботи медичних комплексів, -Санкт-Петербург, 2019 р.
  3. Фурно, Г. Мікропроцесорні медичні системи: Проектування і застосування [Текст] : навчальний посібник : пер. з англ. / Г. Фурно, Д. Дас, Г. Спренгер. - М.: Світ, 1983. - 544 с.
  4. Цифрове опрацювання сигналів і MATLAB [Текст] : навчальний посібник / А. І. Солоніна [та ін.]. - СПб. : СПбЛТА, 2001. - 231 с.
  5. Глінченко, О. С. Цифрове оброблення сигналів [Електронний ресурс] : курс лекцій / О. С. Глінченко - Версія 1.0. - Електрон, дан. - Красноярськ : ІПК СФУ, 2008. - 1 електрон, опт. диск (DVD-ROM).
  6. Русинов В.С. Клінічна електроенцефалографія.-М.: Медицина.-1973.
  7. Гольденберг, Л.М. Цифрове опрацювання сигналів / Л.М. Гольденберг, Б.Д. Матюшкін, М.М. Поляк. - М.: Радіо і зв'язок, 1990. - 256 с.