Биоусилитель

Биоусилитель — это электрофизиологическое устройство, разновидность инструментального усилителя , используемое для сбора и повышения целостности сигнала физиологической электрической активности для вывода в различные источники. Он может быть самостоятельным блоком или интегрирован в электроды.

История

Попытки усилить биосигналы начались с развития электрокардиографии . В 1887 году Огастес Уоллер, британский физиолог, успешно измерил электрокардиограф своей собаки, используя два ведра с физиологическим раствором, в которые он погрузил каждую из передних и задних лап. ^[1] Несколько месяцев спустя Уоллер успешно записал первую электрокардиографию человека с помощью капиллярного электрометра. ^[1] Однако на момент изобретения Уоллер не предполагал, что электрокардиография будет широко использоваться в здравоохранении. Электрокардиограф было непрактично использовать до тех пор, пока Виллем Эйнтховен, голландский физиолог, не придумал использование струнного гальванометра для усиления сердечного сигнала. ^[2] Значительные улучшения в технологиях усилителей привели к использованию электродов меньшего размера, которые легче прикрепить к частям тела. ^[1] В 1920-х годах был предложен способ электрического усиления сердечных сигналов с помощью вакуумных ламп, который быстро заменил струнный гальванометр, усиливавший сигнал механически. Электронные лампы имеют больший импеданс, поэтому усиление было более надежным. Кроме того, его относительно небольшой размер по сравнению со струнным гальванометром способствовал широкому использованию электронных ламп. Более того, большие металлические ведра больше не были нужны, поскольку были введены гораздо меньшие по размеру металлические пластинчатые электроды. К 1930-м годам электрокардиографы можно было приносить домой к пациенту для проведения прикроватного мониторинга. ^[3] С появлением электронного усиления быстро выяснилось, что многие особенности электрокардиографии выявляются при различном расположении электродов. ^[4]

Вариации

Электрокардиография

Электрокардиография (ЭКГ или ЭКГ) регистрирует электрическую активность сердца на поверхности кожи грудной клетки. Сигналы обнаруживаются электродами, прикрепленными к поверхности кожи, и регистрируются внешним по отношению к телу устройством. ^[5]

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

Низкий внутренний шум (<2 мВ)
Высокий входной импеданс (Z _in > 10 МОм)
Полоса пропускания в диапазоне 0,16–250 Гц.
Ограничения полосы пропускания (>18 дБ/октава).
Режекторный фильтр (50 или 60 Гц, в зависимости от страны/региона)
Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR > 107 дБ)
Входной диапазон синфазного режима (CMR ± 200 мВ)
Защита от статического электричества (>2000 В).

Электромиография

Электромиография (ЭМГ) регистрирует электрическую активность скелетных мышц. 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 принимаются от электродов, прикрепленных к мышцам, подлежащим мониторингу, или рядом с ними. Электроды передают сигналы блоку усилителя, обычно состоящему из высокопроизводительных дифференциальных усилителей . Обычные типы интересующего сигнала находятся в диапазоне амплитуды 0,1–2000 мВ в полосе пропускания около 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 характеристики современного усилителя EMG включают: ^[1]

Низкий внутренний шум (<0,5 мВ)
Высокий входной импеданс (>100 МОм)
Плоская полоса пропускания и резкие срезы высоких и низких частот (>18 дБ/октава).
Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR > 10 ⁷ дБ)
Входной диапазон синфазного режима (CMR > ±200 мВ)
Защита от статического электричества (>2000 В)
Стабильность усиления > ±1%

Электроэнцефалография

Приборы для электроэнцефалографии (ЭЭГ) аналогичны приборам для ЭМГ с точки зрения размещения множества поверхностных электродов на коже пациента, в частности, на волосистой части головы. В то время как ЭМГ получает сигналы от мышц под кожей, ЭЭГ пытается получить сигналы на коже головы пациента, генерируемые клетками головного мозга. Одновременно ЭЭГ регистрирует суммарную активность десятков тысяч и миллионов нейронов. Поскольку усилители стали достаточно маленькими, чтобы их можно было интегрировать с электродами, у ЭЭГ появился потенциал для долгосрочного использования в качестве интерфейса мозг-компьютер , поскольку электроды можно держать на коже головы бесконечно долго. Временное и пространственное разрешение, а также соотношение сигнал/шум ЭЭГ всегда отставали от аналогичных интракортикальных устройств, но у них есть то преимущество, что они не требуют хирургического вмешательства. ^[6]

Для усиления используются высокопроизводительные дифференциальные усилители. Интересующие 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 расположением электродов, что приводит к увеличению шума или смещению. ^[7] Некоторые минимальные характеристики современного усилителя ЭЭГ включают: ^[1]

Низкое внутреннее напряжение и токовые шумы (<1 мВ, 100 пА)
Высокое входное сопротивление (>10 ⁸ МОм)
Полоса пропускания (1–50 Гц)
Частотные срезы (>18 дБ/октава)
Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (>10 ⁷)
Диапазон синфазного входного сигнала (более ±200 мВ).
Защита от статического электричества (>2000 В)
Стабильность усиления > ±1%

Кожно-гальваническая реакция

Кожно-гальваническая реакция – это измерение электропроводности кожи, на которое напрямую влияет степень влажности кожи. Поскольку потовые железы контролируются симпатической нервной системой, проводимость кожи имеет решающее значение для измерения психологического или физиологического возбуждения. ^[8] Клинически обнаружено, 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, психологического или физиологического, или того и другого. ^[9]

Кожно-гальваническую реакцию можно измерить либо как сопротивление, называемое активностью кожного сопротивления (SRA), либо как активность кожной проводимости (SCA), которая является обратной величиной SRA. И SRA, и SCA включают два типа ответов: средний уровень и кратковременный фазовый ответ. Большинство современных приборов измеряют проводимость, хотя оба они могут отображаться с помощью преобразования, выполненного в схеме или программном обеспечении. ^[1]

Другой

Электрокортикография (ЭКоГ) регистрирует совокупную активность сотен и тысяч нейронов с помощью электродов, помещенных непосредственно на поверхность мозга. Помимо того, что устройство ECoG требует хирургического вмешательства и имеет низкое разрешение, оно является проводным, что означает, что кожу головы нельзя полностью закрыть, что увеличивает риск заражения. Однако исследователи, исследующие ECoG, утверждают, что сетка «обладает характеристиками, подходящими для долгосрочной имплантации». ^[6]

Нейротрофический электрод представляет собой беспроводное устройство, передающее сигналы чрескожно. Кроме того, он продемонстрировал долговечность на человеке более четырех лет, поскольку каждый компонент полностью биосовместим . Однако объем информации, которую он может предоставить, ограничен, поскольку электроника, которую он использует для передачи сигнала (основанная на дифференциальных усилителях ), требует так много места на коже головы, что на человеческом черепе могут поместиться только четыре усилителя. ^[10]

В одном эксперименте доктор Кеннеди адаптировал нейротрофический электрод для считывания потенциалов локального поля (LFP). Он продемонстрировал, что они способны управлять устройствами вспомогательных технологий, предполагая, что менее инвазивные методы могут быть использованы для восстановления функциональности заблокированных пациентов. Однако в исследовании не рассматривалась степень возможного контроля с помощью LFP и не проводилось формального сравнения между LFP и деятельностью отдельных единиц. ^[11]

Альтернативно, массив Юты в настоящее время является проводным устройством, но передает больше информации. Он имплантируется человеку уже более двух лет и состоит из 100 проводящих кремниевых 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 зависит не только от характеристик и характеристик усилителя, но также тесно связан с типами электродов, которые необходимо прикрепить к телу субъекта. Типы материалов электродов и положение крепления электродов влияют на получение сигналов. ^[12] Также используются многоэлектродные матрицы, в которых несколько электродов расположены в массиве.

Электроды, изготовленные из определенных материалов, имеют тенденцию работать лучше за счет увеличения площади поверхности электродов. Например, электроды из оксида индия и олова (ITO) имеют меньшую площадь поверхности, чем электроды, изготовленные из других материалов, таких как нитрид титана . Большая площадь поверхности приводит к уменьшению импеданса электрода, тогда сигналы нейронов получаются легче. Электроды ITO, как правило, плоские с относительно небольшой площадью поверхности и часто покрываются платиной , чтобы увеличить площадь поверхности и улучшить соотношение сигнал/площадь. ^[13]

Цифровые усилители и фильтры в настоящее время производятся достаточно маленькими, чтобы их можно было комбинировать с электродами, служащими предусилителями. Необходимость в предусилителях очевидна.сигналы, которые производят нейроны (или любые другие органы), слабы. Поэтому предусилители предпочтительно размещать вблизи источника сигналов, к которому примыкают электроды. Еще одним преимуществом расположения предусилителей рядом с источником сигнала является то, что длинные провода приводят к значительным помехам или шуму. Поэтому лучше всего, чтобы провода были как можно короче. ^[13]

Однако, когда необходимы более широкие полосы, например, очень высокие ( потенциалы действия ) или низкие частоты ( потенциалы локального поля ), их можно отфильтровать в цифровом виде, возможно, с помощью аналогового усилителя второй ступени, прежде чем оцифровать. При каскадном подключении нескольких усилителей могут возникнуть некоторые недостатки. Это зависит от типа, аналоговый или цифровой. Однако, как правило, фильтры вызывают временную задержку, и для синхронизации сигналов необходимы поправки. Кроме того, поскольку добавляется дополнительная сложность, это стоит больше денег. Что касается цифровых усилителей, многие работы, выполняемые лабораториями, направлены на обратную передачу сигналов в сети по замкнутому контуру в режиме реального времени. В результате, когда на подходе больше цифровых усилителей, для обработки сигналов требуется больше времени. Одним из решений является использование программируемой вентильной матрицы (FPGA), интегральной схемы «с чистого листа», на которой записано что угодно. Использование FPGA иногда снижает необходимость использования компьютеров, что приводит к ускорению фильтрации. Другая проблема с каскадными фильтрами возникает, когда максимальный выходной сигнал первого фильтра меньше, чем необработанные сигналы, а максимальный выходной сигнал второго фильтра выше, чем у первого фильтра. В этом случае невозможно определить, достигли ли сигналы максимальной мощности или нет. ^[13]

Проблемы проектирования

Тенденция развития электродов и усилителей заключалась в уменьшении их размера для лучшей транспортабельности, а также в возможности имплантации их на кожу для длительной записи сигналов. Предварительные усилители 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 деталями, которые им необходимо установить самостоятельно, и хорошо рассеивать тепло. Рассеяние тепла является большой проблемой, поскольку дополнительное тепло может привести к повышению температуры близлежащих тканей, что потенциально может вызвать изменение физиологии ткани. Одним из решений рассеивания тепла является использование устройства Пельтье . ^[13] Устройство Пельтье использует эффект Пельтье или термоэлектрический эффект для создания теплового потока между двумя различными типами материалов. Устройство Пельтье активно перекачивает тепло с одной стороны устройства на другую, потребляя электрическую энергию. Обычное охлаждение с использованием сжатых газов не может быть подходящим вариантом для охлаждения отдельной интегральной схемы, поскольку для ее 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 температуры окружающей среды, в то время как устройства Пельтье могут активно отводить тепло непосредственно от тепловой нагрузки, как и системы охлаждения на основе компрессора. Кроме того, устройства Пельтье могут изготавливаться с размерами значительно меньше 8 мм, поэтому их можно интегрировать в биоусилители, не теряя при этом мобильности. ^[14]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Вебстер, Джон Г. (2006) Энциклопедия медицинских приборов и приборов, том I. Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-26358-6 .
^ Ривера-Руис, М; Кахавилка, К; Варон, Дж (1927). «Струнный гальванометр Эйнтховена: первый электрокардиограф» . Журнал Техасского института сердца . 35 (2): 174–8. ПМЦ 2435435 . ПМИД 18612490 .
^ Роуботтом М.Э., Сасскинд К. В: Электричество и медицина: история их взаимодействия. Сан-Франциско (Калифорния): San Francisco Press; 1984.
^ Эрнстин и Левин сообщают об использовании электронных ламп для усиления электрокардиограммы вместо механического усиления струнного гальванометра. Эрнстин, AC; Левин, С.А. (1928). «Сравнение записей, полученных с помощью струнного гальванометра Эйнтховена и электрокардиографа усилительного типа». Американский кардиологический журнал . 4 (6): 725–731. дои : 10.1016/S0002-8703(29)90554-8 .
^ «ЭКГ-упрощенная версия. Асвини Кумар, доктор медицины» . LifeHugger.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Брумберг, Дж. С.; Ньето-Кастанон, А.; Кеннеди, PR; Гюнтер, FH (2010). «Интерфейсы мозг-компьютер для речевой коммуникации» . Речевое общение . 52 (4): 367–379. doi : 10.1016/j.specom.2010.01.001 . ПМК 2829990 . ПМИД 20204164 .
^ Нортроп, РБ (2012). Анализ и применение аналоговых электронных схем в биомедицинских приборах. ЦРК Пресс.
^ Мартини, Фредерик; Варфоломей, Эдвин (2003). Основы анатомии и физиологии. Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. п. 267. ISBN 0-13-061567-6 .
^ Карлсон, Нил (2013). Физиология поведения. Нью-Джерси: Pearson Education, Inc. ISBN 978-0-205-23939-9 .
↑ Интервью с доктором Кеннеди, старшим научным сотрудником Neural Signals, Inc., 30 сентября 2010 г.
^ Кеннеди, PR; Кирби, Монтана; Мур, ММ; Кинг, Б.; Мэллори, А. (2004). «Компьютерное управление с использованием внутрикортикальных локальных потенциалов поля человека». Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 12 (3): 339–344. дои : 10.1109/TNSRE.2004.834629 . ПМИД 15473196 . S2CID 8760734 .
^ Бронзино, Джозеф Д. (2006). Справочник по биомедицинской инженерии, третье издание. Флорида: CRC Press.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Интервью с доктором Поттером, доцентом Технологического института Джорджии, 16.10.2013 г.
^ "Теллюрекс - Часто задаваемые вопросы по Пельтье" . Теллурекс. Проверено 27 ноября 2013 г.

[Wiley-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Вебстер, Джон Г. (2006) Энциклопедия медицинских приборов и приборов, том I. Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-26358-6 .

[galvanometer-2] Ривера-Руис, М; Кахавилка, К; Варон, Дж (1927). «Струнный гальванометр Эйнтховена: первый электрокардиограф» . Журнал Техасского института сердца . 35 (2): 174–8. ПМЦ 2435435 . ПМИД 18612490 .

[rowbottom-3] Роуботтом М.Э., Сасскинд К. В: Электричество и медицина: история их взаимодействия. Сан-Франциско (Калифорния): San Francisco Press; 1984.

[ernstine-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, полученных с помощью струнного гальванометра Эйнтховена и электрокардиографа усилительного типа». Американский кардиологический журнал . 4 (6): 725–731. дои : 10.1016/S0002-8703(29)90554-8 .

[lifeHugger-5] «ЭКГ-упрощенная версия. Асвини Кумар, доктор медицины» . LifeHugger.

[review-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Брумберг, Дж. С.; Ньето-Кастанон, А.; Кеннеди, PR; Гюнтер, FH (2010). «Интерфейсы мозг-компьютер для речевой коммуникации» . Речевое общение . 52 (4): 367–379. doi : 10.1016/j.specom.2010.01.001 . ПМК 2829990 . ПМИД 20204164 .

[northrop-7] Нортроп, РБ (2012). Анализ и применение аналоговых электронных схем в биомедицинских приборах. ЦРК Пресс.

[martini-8] Мартини, Фредерик; Варфоломей, Эдвин (2003). Основы анатомии и физиологии. Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. п. 267. ISBN 0-13-061567-6 .

[carlson-9] Карлсон, Нил (2013). Физиология поведения. Нью-Джерси: Pearson Education, Inc. ISBN 978-0-205-23939-9 .

[interview-10] Интервью с доктором Кеннеди, старшим научным сотрудником Neural Signals, Inc., 30 сентября 2010 г.

[LFP-11] Кеннеди, PR; Кирби, Монтана; Мур, ММ; Кинг, Б.; Мэллори, А. (2004). «Компьютерное управление с использованием внутрикортикальных локальных потенциалов поля человека». Транзакции IEEE по нейронным системам и реабилитационной технике . 12 (3): 339–344. дои : 10.1109/TNSRE.2004.834629 . ПМИД 15473196 . S2CID 8760734 .

[CRC-12] Бронзино, Джозеф Д. (2006). Справочник по биомедицинской инженерии, третье издание. Флорида: CRC Press.

[potter-13] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Интервью с доктором Поттером, доцентом Технологического института Джорджии, 16.10.2013 г.

[tellurex-14] "Теллюрекс - Часто задаваемые вопросы по Пельтье" . Теллурекс. Проверено 27 ноября 2013 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]