Biologický zesilovač - Bioamplifier

A Biologický zesilovač je elektrofyziologické zařízení, variace přístrojový zesilovač, slouží ke shromažďování a zvyšování integrity signálu fyziologický elektrická aktivita pro výstup do různých zdrojů. Může to být samostatná jednotka nebo integrována do elektrod.

Dějiny

Úsilí o zesílení biosignály začal s vývojem elektrokardiografie. V roce 1887 Augustus Waller, britský fyziolog, úspěšně změřil elektrokardiograf svého psa pomocí dvou kbelíků solného roztoku, ve kterých ponořil každou přední a zadní tlapku.[1] O několik měsíců později Waller úspěšně zaznamenal první lidskou elektrokardiografii pomocí kapilárního elektrometru.[1] V době vynálezu však Waller nepředpokládal, že by elektrokardiografie byla ve zdravotnictví hojně využívána. Elektrokardiograf bylo nepraktické používat, dokud Willem Einthoven, nizozemský fyziolog, inovoval použití strunového galvanometru pro zesílení srdečního signálu.[2] Významná vylepšení technologií zesilovačů vedla k použití menších elektrod, které byly snadněji připojeny k částem těla.[1] Ve dvacátých letech 20. století byl představen způsob elektrického zesílení srdečních signálů pomocí elektronek, který rychle nahradil strunový galvanometr, který signál mechanicky zesiloval. Vakuové trubice mají větší impedanci, takže zesílení bylo robustnější. Rovněž jeho relativně malá velikost ve srovnání se strunovým galvanometrem přispěla k širokému použití vakuových trubic. Dále již nebyly zapotřebí velké kovové vědra, protože byly zavedeny mnohem menší elektrody s kovovou deskou. Ve 30. letech bylo možné elektrokardiografické přístroje přenést do domu pacienta za účelem monitorování u lůžka.[3] Se vznikem elektronické amplifikace bylo rychle zjištěno, že mnoho vlastností elektrokardiografie bylo odhaleno s různým umístěním elektrod.[4]

Variace

Elektrokardiografie

Elektrokardiografie (EKG nebo EKG) zaznamenává elektrickou aktivitu srdce přes povrch kůže hrudníku. Signály jsou detekovány elektrodami připojenými k povrchu kůže a zaznamenávány zařízením vně těla.[5]

Amplituda EKG se pohybuje od 0,3 do 2 mV pro komplex QRS, který se používá k určení interbeatového intervalu, od kterého je frekvence odvozena. Typické požadavky na zesilovače používané v EKG zahrnují:[1]

  • Nízký vnitřní hluk (<2 mV)
  • Vysoká vstupní impedance (Zv > 10 MΩ)
  • Šířka pásma v rozmezí 0,16–250 Hz
  • Omezení šířky pásma (> 18 dB / oktáva).
  • Zářezový filtr (50 nebo 60 Hz, v závislosti na zemi / regionu)
  • Poměr odmítnutí v běžném režimu (CMRR> 107 dB)
  • Vstupní rozsah společného režimu (CMR ± 200 mV)
  • Ochrana proti statickému úrazu elektrickým proudem (> 2 000 V).

Elektromyografie

Elektromyografie (EMG) zaznamenává elektrickou aktivitu produkovanou kosterními svaly. Zaznamenává různé typy svalových signálů od jednoduché relaxace pomocí umístění elektrod na čelo subjektu až po komplexní neuromuskulární zpětnou vazbu během rehabilitace mrtvice. Signály EMG se získávají z elektrod aplikovaných nad nebo v blízkosti monitorovaných svalů. Elektrody delegují signály do zesilovací jednotky, obvykle sestávající z vysokého výkonu diferenciální zesilovače. Obvyklé typy sledovaného signálu jsou v rozsahu amplitudy 0,1–2 000 mV, na šířku pásma přibližně 25–500 Hz.[1]

Ačkoli mnoho elektrod se stále připojuje k zesilovači pomocí vodičů, některé zesilovače jsou dostatečně malé, aby se mohly připojit přímo na elektrodu. Některé minimální specifikace pro moderní EMG zesilovač zahrnují:[1]

  • Nízký vnitřní šum (<0,5 mV)
  • Vysoká vstupní impedance (> 100 MΩ)
  • Plochá šířka pásma a ostré vysokofrekvenční a nízkofrekvenční mezní hodnoty (> 18 dB / oktáva).
  • Vysoký poměr odmítnutí v běžném režimu (CMRR> 107 dB)
  • Vstupní rozsah společného režimu (CMR> ± 200 mV)
  • Ochrana proti statickému úrazu elektrickým proudem (> 2000 V)
  • Stabilita zisku> ± 1%

Elektroencefalografie

Elektroencefalografie (EEG) je přístrojové vybavení podobné EMG, pokud jde o umístění mnoha povrchových elektrod na pokožku pacienta, konkrétně na pokožku hlavy. Zatímco EMG získává signály ze svalů pod kůží, EEG se pokouší získat signály na pokožce hlavy pacienta generované mozkovými buňkami. EEG současně zaznamenává souhrnnou aktivitu desítek tisíc až milionů neuronů. Vzhledem k tomu, že zesilovače byly dostatečně malé na integraci s elektrodami, EEG se stal potenciálem pro dlouhodobé použití jako rozhraní mozek-počítač, protože elektrody lze držet na pokožce hlavy neomezeně dlouho. Časová a prostorová rozlišení a poměry signálu k šumu EEG vždy zaostávaly za srovnatelnými intrakortikálními zařízeními, ale má tu výhodu, že nevyžaduje chirurgický zákrok.[6]

K zesílení se používají vysoce výkonné diferenciální zesilovače. Signály zájmu jsou v rozsahu 10 µV až 100 µV ve frekvenčním rozsahu 1–50 Hz. Podobně jako EMG zesilovače,[1] EEG těží z použití integrovaného obvodu. Šance na EEG také spočívají hlavně v asymetrickém umístění elektrod, což vede ke zvýšenému šumu nebo offsetu.[7] Některé minimální specifikace pro moderní zesilovač EEG zahrnují:[1]

  • Nízké vnitřní napětí a proudový šum (<1 mV, 100 pA)
  • Vysoká vstupní impedance (> 108 MΩ)
  • Šířka pásma (1–50 Hz)
  • Omezení frekvence (> 18 dB / oktáva)
  • Vysoký poměr odmítnutí v běžném režimu (> 107)
  • Vstupní rozsah společného režimu (větší než ± 200 mV).
  • Ochrana proti statickému úrazu elektrickým proudem (> 2000 V)
  • Stabilita zisku> ± 1%

Galvanická odezva kůže

Galvanická odezva kůže je měření elektrické vodivosti kůže, které je přímo ovlivněno tím, jak moc je pokožka vlhká. Vzhledem k tomu, že potní žlázy jsou řízeny sympatickým nervovým systémem, je vodivost kůže rozhodující pro měření psychologického nebo fyziologického vzrušení.[8] Klinicky se zjistilo, že vzrušení a aktivita potní žlázy ekrin mají přímý vztah. Vysoká vodivost kůže v důsledku pocení může být použita k předpovědi, že subjekt je ve vysoce vzrušeném stavu, ať už psychologicky nebo fyziologicky, nebo obojí.[9]

Galvanickou odezvu kůže lze měřit buď jako rezistenci, která se nazývá aktivita kožní rezistence (SRA) nebo aktivita kožní vodivosti (SCA), což je převrácená hodnota SRA. SRA i SCA zahrnují dva typy odpovědí: průměrnou úroveň a krátkodobou fázovou odpověď. Většina moderních přístrojů měří vodivost, ačkoli oba mohou být zobrazeny pomocí převodu provedeného v obvodech nebo softwaru.[1]

jiný

Elektrokortikografie (ECoG) zaznamenává kumulativní aktivitu stovek až tisíců neuronů pomocí listu elektrod umístěných přímo na povrchu mozku. Kromě nutnosti chirurgického zákroku a nízkého rozlišení je zařízení ECoG zapojeno, což znamená, že pokožku hlavy nelze úplně uzavřít, což zvyšuje riziko infekce. Vědci zkoumající ECoG však tvrdí, že mřížka „má vlastnosti vhodné pro dlouhodobou implantaci“.[6]

The neurotrofní elektroda je bezdrátové zařízení, které přenáší své signály transkutánně. Kromě toho prokázal u člověka pacienta životnost přes čtyři roky, protože každá součást je úplně biokompatibilní. Je však omezen množstvím informací, které může poskytnout, protože elektronika, kterou používá k přenosu svého signálu (na základě diferenciální zesilovače ) vyžadují tolik místa na pokožce hlavy, že se na lidskou lebku vejdou jen čtyři.[10]

V jednom experimentu upravil Dr. Kennedy neurotrofní elektrodu na čtení místní polní potenciály (LFP). Ukázal, že jsou schopni ovládat zařízení s pomocnou technologií, což naznačuje, že k obnovení funkčnosti uzamčených pacientů lze použít méně invazivní techniky. Studie se však nezabývala možným stupněm kontroly u LFP ani formálním srovnáním mezi LFP a aktivitou jedné jednotky.[11]

Případně Utahské pole je v současné době kabelové zařízení, ale přenáší více informací. Implantuje se člověku více než dva roky a skládá se ze 100 vodivých křemíkových elektrod podobných jehličkám, takže má vysoké rozlišení a dokáže zaznamenávat z mnoha jednotlivých neuronů.[6]

Design

Přijímání signálů

V dnešní době se k záznamu biosignálů používají většinou digitální zesilovače. Proces zesílení nezávisí pouze na výkonu a specifikacích zesilovacího zařízení, ale také se úzce váže na typy elektrod, které se připevňují k tělu subjektu. Typy elektrodových materiálů a montážní poloha elektrod ovlivňují získávání signálů.[12] Používají se také multielektrodová pole, ve kterých je více elektrod uspořádáno do pole.

Elektrody vyrobené z určitých materiálů mají tendenci fungovat lépe zvětšením povrchu elektrod. Například, Oxid india a cínu (ITO) elektrody mají menší povrchovou plochu než elektrody vyrobené z jiných materiálů nitrid titanu. Větší povrch má za následek snížení impedance elektrody, pak se neuronové signály získávají snadněji. Elektrody ITO bývají ploché s relativně malým povrchem a jsou často galvanicky pokoveno s Platina zvětšit povrch a zlepšit poměr signál-plocha.[13]

Digitální zesilovače a filtry se dnes vyrábějí dostatečně malé na to, aby je bylo možné kombinovat s elektrodami, které slouží jako předzesilovače. Potřeba předzesilovačů je jasná v tom, že signály, které produkují neurony (nebo jiné orgány), jsou slabé. Předzesilovače proto mají být výhodně umístěny v blízkosti zdroje signálů, kde sousedí elektrody. Další výhodou toho, že máte předzesilovače blízko zdroje signálu, je to, že dlouhé vodiče vedou k významnému rušení nebo šumu. Proto je nejlepší mít vodiče co nejkratší.[13]

Pokud jsou však zapotřebí širší pásma, například velmi vysoká (akční potenciály ) nebo nízká frekvence (místní polní potenciály ), mohly by být digitálně filtrovány, možná pomocí analogového zesilovače druhého stupně před digitalizací. Při několika kaskádových zesilovačích mohou existovat určité nevýhody. Záleží na typu, analogovém nebo digitálním. Filtry však obecně způsobují časové zpoždění a pro synchronizaci signálů jsou nutné úpravy. Jak se přidává další složitost, stojí to více peněz. Pokud jde o digitální zesilovače, mnoho prací, které laboratoře provádějí, přivádí zpět signály do sítí v uzavřené smyčce v reálném čase. Ve výsledku je zapotřebí více času na použití signálů, když je na cestě více digitálních zesilovačů. Jedno řešení používá pole programovatelné brány (FPGA), integrovaný obvod „blank slate“, který je na něm napsán cokoli. Používání FPGA někdy snižuje potřebu používat počítače, což vede k urychlení filtrování. Další problém s kaskádovými filtry nastává, když je maximální výkon prvního filtru menší než prvotní signály a druhý filtr má vyšší maximální výkon než první filtr. V takovém případě je nemožné rozpoznat, zda signály dosáhly maximálního výkonu nebo ne.[13]

Designové výzvy

Trend s vývojem elektrod a zesilovačů snižuje jejich velikost pro lepší přenositelnost a také jejich implantaci na kůži pro dlouhodobé zaznamenávání signálů. Předzesilovače, hlavní zesilovače zůstávají stejné, kromě toho, že by měly mít různé tvarové faktory. Měly by být lehké, vodotěsné, aby nepoškrábaly pokožku nebo pokožku hlavy na částech, které je třeba namontovat, a měly by dobře odvádět teplo. Rozptyl tepla je velkým problémem, protože dodatečné teplo může způsobit zvýšení teploty okolní tkáně, což může způsobit změnu fyziologie tkáně. Jedním z řešení pro odvádění tepla je použití Peltierovo zařízení.[13] Peltierovo zařízení, použití Peltierův efekt nebo termoelektrický jev k vytvoření tepelného toku mezi dvěma různými typy materiálů. Peltierovo zařízení aktivně čerpá teplo z jedné strany na druhou stranu zařízení a spotřebovává elektrickou energii. Konvenční chlazení pomocí stlačených plynů by nebylo proveditelnou volbou pro ochlazení jednotlivého integrovaného obvodu, protože k provozu potřebuje mnoho dalších zařízení, jako je výparník, kompresor a kondenzátor. Celkově lze říci, že kompresorový systém je spíše pro velké chladicí úlohy a není vhodný pro malé systémy, jako jsou bioamplifikátory. Pasivní chlazení, jako je chladič a ventilátor, omezuje pouze nárůst teploty nad okolní podmínky, zatímco zařízení Peltier mohou aktivně vytáhnout teplo přímo z tepelného zatížení, stejně jako chladicí systémy založené na kompresoru. Zařízení Peltier lze také vyrábět ve velikostech hluboko pod čtvercem 8 mm, a proto je lze integrovat do biologických zesilovačů, aniž by došlo ke ztrátě mobility.[14]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i Webster, John G. (2006) Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation Volume I. New Jersey: Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-26358-6.
  2. ^ Rivera-Ruiz, M; Cajavilca, C; Varon, J (1927). „Einthovenův strunový galvanometr: první elektrokardiograf“. Texas Heart Institute Journal. 35 (2): 174–8. PMC  2435435. PMID  18612490.
  3. ^ Rowbottom ME, Susskind C. In: Electricity and Medicine: History of their Interaction. San Francisco (CA): San Francisco Press; 1984.
  4. ^ Ernstine a Levine uvádějí použití elektronek k zesílení elektrokardiogramu namísto mechanického zesílení strunového galvanometru. Ernstine, AC; Levine, SA (1928). „Srovnání záznamů pořízených strunovým galvanometrem Einthoven a elektrokardiografem typu zesilovače“. American Heart Journal. 4 (6): 725–731. doi:10.1016 / S0002-8703 (29) 90554-8.
  5. ^ „EKG - zjednodušené. Aswini Kumar M.D.“. LifeHugger.
  6. ^ A b C Brumberg, J. S .; Nieto-Castanon, A .; Kennedy, P. R .; Guenther, F. H. (2010). „Rozhraní mozku a počítače pro řečovou komunikaci“. Řečová komunikace. 52 (4): 367–379. doi:10.1016 / j.specom.2010.01.001. PMC  2829990. PMID  20204164.
  7. ^ Northrop, R. B. (2012). Analýza a aplikace analogových elektronických obvodů na biomedicínské přístroje. CRC Press.
  8. ^ Martini, Frederic; Bartholomew, Edwin (2003). Základy anatomie a fyziologie. San Francisco: Benjamin Cummings. p. 267. ISBN  0-13-061567-6.
  9. ^ Carlson, Neil (2013). Fyziologie chování. New Jersey: Pearson Education, Inc. ISBN  978-0-205-23939-9.
  10. ^ Rozhovor s Dr. Kennedym, hlavním vědeckým pracovníkem společnosti Neural Signals, Inc., 30. 9. 2010
  11. ^ Kennedy, P. R .; Kirby, M. T .; Moore, M. M .; King, B .; Mallory, A. (2004). Msgstr "Řízení počítače pomocí lidských intrakortikálních lokálních potenciálů pole". Transakce IEEE na neuronových systémech a rehabilitační inženýrství. 12 (3): 339–344. doi:10.1109 / TNSRE.2004.834629. PMID  15473196. S2CID  8760734.
  12. ^ Bronzino, Joseph D. (2006). Příručka o biomedicínském inženýrství, třetí vydání. Florida: CRC Press.
  13. ^ A b C d Rozhovor s Dr. Potterem, docentem, Georgia Institute of Technology, 16. 10. 2013
  14. ^ "Tellurex - Peltier FAQ". Tellurex. Vyvolány 27 November 2013