Материал: Аппаратура для электроэнцефалографических исследований. Журавлев Д.В

Д. В. Журавлев

АППАРАТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Монография

Воронеж 2021

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Д. В. Журавлев

АППАРАТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Монография

Воронеж 2021

УДК 621.3 ББК 32.844 Ж911

Рецензенты:

АО «Концерн «Созвездие» (начальник научно-технического управления д-р техн. наук Н. М. Тихомиров);

научный руководитель ООО «Базис-Бонд» канд. техн. наук, доц. М. М. Мочалов

Журавлёв, Д. В.

Ж911 Аппаратура для электроэнцефалографических исследований:

монография / Д. В. Журавлёв; ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет». – Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2021. – 259 с.

ISBN 978-5-7731-0920-4

В монографии рассматриваются вопросы проектирования беспроводных приборов регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) человека. Рассмотрены варианты проектирования устройств, осуществляющих регистрацию 8 и 16 каналов ЭЭГ монополярным способом. Также рассмотрены варианты проектирования устройств, осуществляющих регистрацию 4 каналов ЭЭГ биполярным способом.

Данная монография будет полезна широкому кругу инженеров в области разработки и исследования медико-биологических систем на различных научно-производственных предприятиях, а также широкому кругу молодых специалистов, занимающихся обучением, исследованиями и разработкой в области электроэнцефалографических исследований.

Табл. 18. Ил. 246. Библиогр.: 11 назв.

УДК 616-71 ББК 32.81

Печатается по решению научно-технического совета Воронежского государственного технического университета

2

ВВЕДЕНИЕ

Начало XXI века ознаменовалось бурным развитием новых технологий в радиотехнике. Очередной научно-технический прогресс вывел радиоэлектронику на совершенно новый уровень, переведя ее практически полностью в цифровой вид.

Современные технологии позволяют создавать радиоэлектронные устройства с широчайшими возможностями, позволяющими применять их в самых различных сферах деятельности цивилизации, в том числе и медицине. Как база XX века послужила для разработок XXI, так и технология, о которой пойдет речь в данной работе, появилась в результате хорошо изученных и активно используемых методов исследования головного мозга.

Речь идет об электроэнцефалографии, которая является самым широко применяемым и доступным методом в неврологии и нейрохирургии - методом диагностики изменения функционального состояния головного мозга. Данный метод осуществляется с применением электроэнцефалографа, принцип работы которого на сегодняшний день включает в себя как привычную регистрацию биоэлектрических потенциалов, так и новые технологии, а также способы обработки сигнала, позволившие выйти на новый уровень качества и визуализации итоговых результатов. Данные аспекты позволяют организовать достаточно мощное электронное устройство широкого спектра применения за счет разработки специального программного обеспечения и аппаратной реализации при минимальных экономических затратах, что никоим образом не ухудшает технические характеристики разрабатываемого устройства. Использование в данной технологии микроконтроллера как достаточно мощного вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора электрорадиоэлементов, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.

В монографии подробно рассмотрено построение различных вариантов современных электроэнцефалографов для проведения научноисследовательских работ. В основе всех проектов лежит использование современной элементной базы, позволяющее разработать требуемый комплекс средств для электроэнцефалографических исследований достаточно компактным и мобильным, в то же время обладающим достаточно хорошими техническими характеристиками, за счет чего и было организовано успешное выполнение требуемых задач по обеспечению чувствительности, частотных параметров устройств и их фильтрующих свойств. Все рассмотренные в монографии проекты имеют огромный потенциал для дальнейшего развития и модернизации, постоянного наращивания их функционала, как аппаратного, так и программного.

3

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИИ

1.1. Биопотенциалы

Биопотенциалы – энергетическая характеристика взаимодействия зарядов, находящихся в исследуемой живой ткани, например, в различных областях мозга, в клетках и других живых структурах, которые могут находиться в различных физиологических состояниях.

Существуют два основных вида биопотенциалов:

Потенциал покоя (ПП) – разность потенциалов, которая характерна для стационарного состояния любой живой системы. Он существует постоянно и поддерживается за счет протекающего звеньями обмена веществ.

Потенциал действия (ПД) – разность потенциалов, характерная для

переходных процессов. Она быстро нарастает и спадает.

Биопотенциалы тесно связаны с метаболическими процессами. Отсюда следует, что они являются показателями физиологического состояния системы. Основными показателями изменений в клетках являются величина и характер биопотенциалов. Также они показывают её состояние - норма или патология.

Возникновение биопотенциалов основано на несимметричном распределении ионов относительно мембраны, то есть возникновение различных концентраций ионов по разные стороны от мембраны. Непосредственная причина возникновения - различная скорость диффузии ионов по их градиентам, определяющаяся селективностью мембраны.

Существует крупная группа различных электрофизиологических методов диагностики, основанных на регистрации биопотенциалов. К ним относятся электрокардиография (ЭКГ), электромиография (ЭМГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), электроокулография (ЭОГ) и т. д. Далее рассмотрим более подробно электроэнцефалографию (ЭЭГ).

1.2. Электроэнцефалография

Электроэнцефалография (ЭЭГ) – метод регистрации биопотенциалов головного мозга, которые изменяются во времени. Регистрация осуществляется через кожный покров головы и позволяет оценивать функциональное состояние головного мозга, наличие его поражений или расстройств. Основоположником клинической электроэнцефалографии можно считать психиатра Ганса Бергера

(1928 г.).

История применения ЭЭГ в широком спектре задач берёт своё начало в 1929 году. В то время она использовалась в медицине для решения клинических и исследовательских задач, для определения эпилептической активности и эпилептических припадков, изучения стадий сна, а также протекания мысленных процессов до и после травм головы. Также, поскольку

4