Биоусилитель - Bioamplifier

А Биоусилитель электрофизиологический прибор, разновидность инструментальный усилитель, используется для сбора и повышения целостности сигнала физиологический электрическая активность для вывода на различные источники. Он может быть независимым или встроенным в электроды.

История

Усилия по усилению биосигналы началось с разработки электрокардиография. В 1887 году британский физиолог Август Уоллер успешно измерил электрокардиограф своей собаки, используя два ведра с физиологическим раствором, в которые он погрузил переднюю и заднюю лапы.[1] Несколько месяцев спустя Уоллер успешно записал первую электрокардиографию человека с помощью капиллярного электрометра.[1] Однако во время изобретения Уоллер не предполагал, что электрокардиография будет широко использоваться в здравоохранении. Электрокардиограф было непрактично использовать до тех пор, пока голландский физиолог Виллем Эйнтховен не применил струнный гальванометр для усиления сердечного сигнала.[2] Значительные улучшения в технологиях усилителей привели к использованию электродов меньшего размера, которые легче прикреплялись к частям тела.[1] В 1920-х годах был представлен способ электрического усиления сердечных сигналов с помощью вакуумных ламп, который быстро заменил струнный гальванометр, который механически усиливал сигнал. У вакуумных ламп большее сопротивление, поэтому усиление было более надежным. Кроме того, его относительно небольшой размер по сравнению со струнным гальванометром способствовал широкому использованию электронных ламп. Кроме того, больше не требовались большие металлические ведра, так как были введены электроды с металлическими пластинами гораздо меньшего размера. К 1930-м годам электрокардиографы можно было приносить домой к пациенту для наблюдения за больными.[3] С появлением электронного усиления было быстро обнаружено, что многие особенности электрокардиографии проявляются при различном размещении электродов.[4]

Вариации

Электрокардиография

Электрокардиография (ЭКГ или ЭКГ) регистрирует электрическую активность сердца по поверхности кожи грудной клетки. Сигналы улавливаются электродами, прикрепленными к поверхности кожи, и записываются внешним устройством.[5]

Амплитуда ЭКГ колеблется от 0,3 до 2 мВ для комплекса QRS, который используется для определения интервала между ударами, на основе которого определяется частота. Типичные требования к усилителям, используемым в ЭКГ, включают:[1]

  • Низкий внутренний шум (<2 мВ)
  • Высокое входное сопротивление (Zв > 10 МОм)
  • Полоса пропускания от 0,16 до 250 Гц
  • Ограничение полосы пропускания (> 18 дБ / октава).
  • Режекторный фильтр (50 или 60 Гц, в зависимости от страны / региона)
  • Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR> 107 дБ)
  • Диапазон входного синфазного сигнала (CMR ± 200 мВ)
  • Защита от статического электричества (> 2000 В).

Электромиография

Электромиография (ЭМГ) регистрирует электрическую активность, производимую скелетными мышцами. Он записывает различные типы мышечных сигналов, от простого расслабления с помощью размещения электродов на лбу пациента до сложной нервно-мышечной обратной связи во время реабилитации после инсульта. Сигналы ЭМГ поступают от электродов, установленных над контролируемыми мышцами или рядом с ними. Электроды передают сигналы на усилитель, обычно состоящий из высокопроизводительных дифференциальные усилители. Обычные типы интересующего сигнала находятся в диапазоне амплитуды 0,1–2000 мВ в полосе частот примерно 25–500 Гц.[1]

Хотя многие электроды по-прежнему подключаются к усилителю с помощью проводов, некоторые усилители достаточно малы, чтобы их можно было установить непосредственно на электрод. Некоторые минимальные технические характеристики современного усилителя EMG включают:[1]

  • Низкий внутренний шум (<0,5 мВ)
  • Высокое входное сопротивление (> 100 МОм)
  • Плоская полоса пропускания и четкие отсечки высоких и низких частот (> 18 дБ / октава).
  • Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR> 107 дБ)
  • Диапазон входного синфазного сигнала (CMR> ± 200 мВ)
  • Защита от статического электричества (> 2000 В)
  • Стабильность усиления> ± 1%

Электроэнцефалография

Электроэнцефалография Аппаратура (ЭЭГ) похожа на аппаратуру ЭМГ с точки зрения размещения множества поверхностных электродов на коже пациента, в частности, на коже черепа. В то время как ЭМГ получает сигналы от мышц под кожей, ЭЭГ пытается получить сигналы на коже головы пациента, генерируемые клетками мозга. Одновременно ЭЭГ регистрирует суммарную активность от десятков тысяч до миллионов нейронов. Поскольку усилители стали достаточно маленькими, чтобы их можно было интегрировать с электродами, ЭЭГ стала иметь потенциал для длительного использования в качестве интерфейс мозг-компьютер, потому что электроды можно держать на коже черепа неограниченное время. Временное и пространственное разрешение и отношение сигнал / шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных интракортикальных устройств, но у него есть то преимущество, что оно не требует хирургического вмешательства.[6]

Для усиления используются высокоэффективные дифференциальные усилители. Представляющие интерес сигналы находятся в диапазоне от 10 мкВ до 100 мкВ в диапазоне частот 1–50 Гц. Подобно усилителям EMG,[1] ЭЭГ выигрывает от использования интегральной схемы. Шансы на ЭЭГ также в основном связаны с асимметричным размещением электродов, которое приводит к увеличению шума или смещению.[7] Некоторые минимальные технические характеристики современного усилителя ЭЭГ включают:[1]

  • Низкое внутреннее напряжение и токи шума (<1 мВ, 100 пА)
  • Высокое входное сопротивление (> 108 МОм)
  • Полоса пропускания (1–50 Гц)
  • Частотные отсечки (> 18 дБ / октаву)
  • Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (> 107)
  • Диапазон входного синфазного сигнала (более ± 200 мВ).
  • Защита от статического электричества (> 2000 В)
  • Стабильность усиления> ± 1%

Кожно-гальваническая реакция

Кожно-гальваническая реакция представляет собой измерение электрической проводимости кожи, на которую напрямую влияет влажность кожи. Поскольку потовые железы контролируются симпатической нервной системой, проводимость кожи имеет решающее значение для измерения психологического или физиологического возбуждения.[8] Клинически установлено, что возбуждение и активность эккринных потовых желез имеют прямую связь. Высокая проводимость кожи из-за потоотделения может использоваться для прогнозирования того, что субъект находится в состоянии сильного возбуждения, психологически или физиологически, или и того, и другого.[9]

Кожно-гальванический ответ можно измерить либо как сопротивление, называемое активностью сопротивления кожи (SRA), либо активностью проводимости кожи (SCA), которая является обратной величиной SRA. И SRA, и SCA включают два типа ответов: средний уровень и краткосрочный фазовый ответ. Большинство современных приборов измеряют проводимость, хотя оба они могут отображаться с преобразованием, выполненным схемами или программным обеспечением.[1]

Другой

Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность от сотен до тысяч нейронов с листом электродов, размещенным непосредственно на поверхности мозга. Устройство ЭКоГ не только требует хирургического вмешательства и имеет низкое разрешение, но и подключено к проводам, что означает, что кожа головы не может быть полностью закрыта, что увеличивает риск инфекции. Однако исследователи, изучающие ЭКоГ, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, пригодными для долгосрочной имплантации».[6]

В нейротрофический электрод это беспроводное устройство, которое передает свои сигналы чрескожно. Кроме того, он продемонстрировал долговечность более четырех лет у пациента-человека, потому что каждый компонент полностью биосовместимый. Однако объем информации, которую он может предоставить, ограничен, поскольку электроника, которую он использует для передачи сигнала (основанная на дифференциальные усилители ) требуют столько места на коже черепа, что на человеческом черепе может поместиться только четыре.[10]

В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания потенциалы локального поля (LFP). Он продемонстрировал, что они способны управлять устройствами со вспомогательными технологиями, предположив, что можно использовать менее инвазивные методы для восстановления функциональности заблокированных пациентов. Однако в исследовании не рассматривалась степень контроля, возможная с помощью LFP, и не проводилось формальное сравнение между LFP и отдельной единицей активности.[11]

В качестве альтернативы Массив Юты в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он был имплантирован человеку более двух лет и состоит из 100 токопроводящих силиконовых игольчатых электродов, поэтому он имеет высокое разрешение и может записывать данные со многих отдельных нейронов.[6]

Дизайн

Получение сигналов

В настоящее время для записи биосигналов используются в основном цифровые усилители. Процесс усиления не только зависит от характеристик и технических характеристик устройства усилителя, но также тесно связан с типами электродов, прикрепляемых к телу испытуемого. Типы материалов электродов и положение установки электродов влияют на получение сигналов.[12] Также используются многоэлектродные матрицы, в которых несколько электродов расположены в виде матрицы.

Электроды, изготовленные из определенных материалов, как правило, работают лучше за счет увеличения площади поверхности электродов. Например, Оксид индия и олова (ITO) электроды имеют меньшую площадь поверхности, чем электроды, изготовленные из других материалов, таких как нитрид титана. Большая площадь поверхности приводит к уменьшению импеданса электрода, тем легче получать сигналы нейронов. Электроды ITO, как правило, плоские с относительно небольшой площадью поверхности и часто гальванический с платина для увеличения площади поверхности и улучшения отношения сигнала к площади.[13]

Цифровые усилители и фильтры в настоящее время производятся достаточно компактными, чтобы их можно было комбинировать с электродами, служащими предусилителями. Потребность в предварительных усилителях очевидна, поскольку сигналы, которые производят нейроны (или любые другие органы), являются слабыми. Следовательно, предусилители предпочтительно размещать рядом с источником сигналов, где рядом находятся электроды. Еще одно преимущество расположения предусилителей рядом с источником сигнала состоит в том, что длинные провода приводят к значительным помехам или шумам. Поэтому лучше, чтобы провода были как можно короче.[13]

Однако, когда необходимы более широкие полосы, например очень высокие (потенциалы действия ) или низкой частоты (потенциалы локального поля ), их можно отфильтровать в цифровом виде, возможно, с помощью аналогового усилителя второго каскада перед оцифровкой. При каскадном соединении нескольких усилителей могут быть некоторые недостатки. Это зависит от типа, аналоговый или цифровой. Однако в целом фильтры вызывают задержку по времени, и для синхронизации сигналов необходимы поправки. Кроме того, по мере добавления дополнительной сложности это стоит больше денег. Что касается цифровых усилителей, многие лаборатории делают обратную передачу сигналов в сети в замкнутом контуре в реальном времени. В результате требуется больше времени для обработки сигналов, когда на подходе больше цифровых усилителей. Одно из решений - использовать программируемая вентильная матрица (FPGA), интегральная схема «чистый лист», на которой написано все, что на ней написано. Использование FPGA иногда снижает потребность в использовании компьютеров, что приводит к ускорению фильтрации. Другая проблема с каскадными фильтрами возникает, когда максимальный выходной сигнал первого фильтра меньше, чем необработанные сигналы, а второй фильтр имеет более высокий максимальный выходной сигнал, чем первый фильтр. В этом случае невозможно определить, достигли ли сигналы максимальной мощности или нет.[13]

Проблемы дизайна

Тенденция развития электродов и усилителей заключалась в уменьшении их размера для лучшей переносимости, а также в их имплантации на кожу для длительной записи сигналов. Предусилители и усилители головного каскада остаются прежними, за исключением того, что они должны иметь разные форм-факторы. Они должны быть легкими, водонепроницаемыми, не царапать кожу или кожу головы о детали, которые им необходимо смонтировать самостоятельно, и должны хорошо рассеивать тепло. Рассеяние тепла - большая проблема, потому что дополнительное тепло может вызвать повышение температуры близлежащих тканей, что потенциально может вызвать изменение физиологии ткани. Одним из решений отвода тепла является использование Устройство Пельтье.[13] Устройство Пельтье, использует Эффект Пельтье или же термоэлектрический эффект для создания теплового потока между двумя разными типами материалов. Устройство Пельтье активно перекачивает тепло с одной стороны на другую сторону устройства, потребляя электрическую энергию. Общепринятый охлаждение сжатыми газами не будет подходящим вариантом для охлаждения отдельной интегральной схемы, потому что для работы требуется множество других устройств, таких как испаритель, компрессор и конденсатор. В целом, система на основе компрессора больше подходит для крупномасштабных работ по охлаждению и не подходит для небольших систем, таких как биоусилители. Пассивное охлаждение, такое как радиатор и вентилятор, только ограничивает повышение температуры выше окружающих условий, в то время как устройства Пельтье могут активно отводить тепло прямо из тепловой нагрузки, как и системы охлаждения на основе компрессоров. Кроме того, устройства Пельтье могут изготавливаться с размерами намного меньше 8 квадратных миллиметров, поэтому они могут быть интегрированы в биоусилители, не теряя подвижности.[14]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Вебстер, Джон Г. (2006) Энциклопедия медицинских устройств и приборов Том I. Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-26358-6.
  2. ^ Ривера-Руис, М; Cajavilca, C; Варон, Дж (1927). "Струнный гальванометр Эйнтховена: первый электрокардиограф". Журнал Техасского института сердца. 35 (2): 174–8. ЧВК  2435435. PMID  18612490.
  3. ^ Роуботтом М.Е., Сасскинд С. В: Электричество и медицина: история их взаимодействия. Сан-Франциско (Калифорния): San Francisco Press; 1984 г.
  4. ^ Эрнстин и Левин сообщают об использовании электронных ламп для усиления электрокардиограммы вместо механического усиления струнного гальванометра. Эрнстин, AC; Левин, С.А. (1928). «Сравнение записей, сделанных с помощью струнного гальванометра Эйнтховена и электрокардиографа с усилителем». Американский журнал сердца. 4 (6): 725–731. Дои:10.1016 / S0002-8703 (29) 90554-8.
  5. ^ «ЭКГ - упрощенная. Ашвини Кумар М.Д.». LifeHugger.
  6. ^ а б c Brumberg, J. S .; Nieto-Castanon, A .; Kennedy, P.R .; Гюнтер, Ф. Х. (2010). «Мозг-компьютерные интерфейсы для речевого общения». Речевое общение. 52 (4): 367–379. Дои:10.1016 / j.specom.2010.01.001. ЧВК  2829990. PMID  20204164.
  7. ^ Нортроп, Р. Б. (2012). Анализ и применение аналоговых электронных схем в биомедицинском оборудовании. CRC Press.
  8. ^ Мартини, Фредерик; Варфоломей, Эдвин (2003). Основы анатомии и физиологии. Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. п. 267. ISBN  0-13-061567-6.
  9. ^ Карлсон, Нил (2013). Физиология поведения. Нью-Джерси: Pearson Education, Inc. ISBN  978-0-205-23939-9.
  10. ^ Интервью с доктором Кеннеди, старшим научным сотрудником Neural Signals, Inc., 30 сентября 2010 г.
  11. ^ Kennedy, P.R .; Кирби, М. Т .; Мур, М. М .; King, B .; Мэллори, А. (2004). «Компьютерное управление с использованием внутрикортикальных потенциалов местного поля человека». IEEE Transactions по нейронным системам и реабилитационной инженерии. 12 (3): 339–344. Дои:10.1109 / TNSRE.2004.834629. PMID  15473196. S2CID  8760734.
  12. ^ Бронзино, Джозеф Д. (2006). Справочник по биомедицинской инженерии, третье издание. Флорида: CRC Press.
  13. ^ а б c d Интервью с доктором Поттером, доцентом Технологического института Джорджии, 16.10.2013
  14. ^ «Теллурекс - FAQ по Пельтье». Теллурекс. Проверено 27 ноября 2013 г.