Construcţia ELECTROENCEFALOGRAFULUI (EEG)

IntroducereElectro-Encefalograful, apelat mai scurt şi ca Encefalograf, este un aparat special care are drept scop culegerea curenţilor bioelectrici de pe scalpul pacientului şi prelucrarea acestora în scopul înregistrării şi a vizualizării.Vizualizarea evoluţiei în timp a curenţilor bioelectrici cerebrali se poate face fie pe monitorul unui calculator, fie pe o panglică de hârtie termosensibilă.Frecvenţa şi amplitudinea biocurenţilor în timp diferă de la un pacient la altul (sau chiar la acelaşi pacient), în funcţie de starea sa de sănătate mentală. Din acest motiv, encefalograful trebuie să fie un aparat metrologic, adică un aparat ce măsoară cu precizie caracteristicile esenţiale ale unui curent bioelectric cum sunt frecvenţa, amplitudinea, formele de undă, evoluţia lor în timp real.Din compararea traseelor electroencefalografice captate de la subiecţi sănătoşi mental cu cele captate de la bolnavi cu diferite suferinţe psihice, în diferite stadii de evoluţie a bolii, s-a constatat că există trasee caracteristice (pattern-uri) ce permit recunoaşterea stării de sănătate sau de boală.S-au întocmit albume cu trasee electroencefalografice pentru toate stările fiziologice ale pacienţilor, inclusiv a somnului, pentru indivizii sănătoşi. S-a dovedit astfel că înregistrările curenţilor cerebrali sunt un instrument util pentru “doctoral neurology” în investigarea şi diagnosticarea stării de boală.Investigaţiile pe această cale, s-au dovedit a fi atât de utile încât s-a trecut treptat de la înregistrări pe 6 canale la 16 sau 32 canale provenite de la 20 la 40 electrozi.Un canal reprezintă un ansamblu de doi electrozi, aşezaţi topologic pe suprafaţa scalpului, în diferite puncte de unde se

culege astfel un semnal diferenţial ce poate fi amplificat şi înregistrat.Mulţimea combinaţiilor de electrozi luaţi câte doi la un moment dat, formează ceea ce se numeşte configuraţie de electrozi. Fiecare configuraţie, prezintă o altă selecţie de potenţiale cerebrale şi prin urmare prezintă alt interes pentru o boală sau alta. Numărul de configuraţii (ce determină tipul canalelor) a crescut foarte mult şi mărirea lui devine o sarcină constructivă tot mai dificilă pentru fabricantul de encefalografe. S-a trecut de la selectarea hardware a configuraţiilor la selectarea software care permite (cu preţul scumpirii software-ului) la obţinerea unui număr tot mai mare de configuraţii fără mărirea dimensiunilor aparatului.Selecţia pe cale software a configuraţiei de electrozi şi deci selecţia pe aceeaşi cale a canalelor dorite, permite trecerea cu uşurinţă la selectarea configuraţiilor (şi canalelor) formate de un număr mai mare de electrozi.În prezent, se studiază în departamentele de cercetare ale firmelor constructoare, în colaborare cu universităţi de profil, realizarea unui număr de 256 canale, care să permită o vizualizare tridimensională a hărţii potenţialelor bioelectrice de pe scalp în speranţa obţinerii unor corelări mai precise între “fotografia electrică” a scalpului şi starea de sănătate a pacientului.Pe măsură ce posibilităţile tehnice o permit, se va încerca acoperirea completă a scalpului cu electrozi miniaturali, fapt care va permite mărirea rezoluţiei hărţii biopotenţialelor (fotografia electrică) şi deci obţinerea unei informaţii maxime nu numai despre starea de sănătate ci şi (se speră), monitorizarea activităţii psihice a individului sănătos, poate chiar controlul sau inducerea de stări psihice particulare.Dacă se ajunge la un astfel de control al individului, situaţia devine periculoasă pe plan social în lipsa unui cod de conduită al medicilor şi a unei legislaţii, care să apere drepturile omului.

Caracteristicile tehnice ale unui electroencefalograf teoretic modernDin analiza parametrilor fizici implementaţi la majoritatea aparatelor, s-a apreciat că este oportună următoarea configuraţie de parametri:• Intrare: 24 electrozi;• Configuraţii electrozi: selectabile prin program (10 la 24);• Măsurare impedanţe de intrare electrozi: 5-10-20-50kW;• Banda de trecere a amplificatoarelor: 0,01Hz până la 500Hz cu izolare opto-electronică;• Ieşire 16 canale selectate prin program: 6/8/16 simultan;• Imprimantă termică matricială lăţime 210mm, role depozitare internă;• Numărul traseelor imprimate pe hârtie: orice număr de la 1 la 16;• Rezoluţie de scriere: 8 dots/mm;• Calibrare: 1-5-10-100mV/mm semnal dreptunghiular;• Viteze scriere: 7,5 - 15 - 30 - 60 - 70 - 120mm/sec;• Sensibilitate: 1-2-3-5-7-10-15-20-30-50-70-100-200mV/mm;• Filtru trece jos: 15-30-70-100-150-300-250-500Hz;• Filtru trece sus: 0,01-0,1-0,53-1-1,6-3-5-16Hz;• Filtru rejecţie (notch): 50/60Hz;• Filtru rejecţie (soft): Orice frecvenţă 1 la 500Hz;• Zgomot: 2mVef cu filtru pentru 70Hz;• C.M.M.R.: min 90dB;• Conversie A/D: 14 biţi;• Viteză de eşantionare: min. 1000 sample/s/ canal;• Markeri de timp 0,1s-1s-10s-1min-1h;• Putere: 100VA 50/60Hz;• Securitate Pacient: IEC 60601-1 tip CF clasă 1; IEC 60601-1-26;• Dimensiuni: 600 x 400 x 200mm;• Masa: 10kg;• Stimulator Photique încorporat:- frecvenţa: 1 - 30Hz;- energie flash:0,1-0,2-0,4Joule;- perioadă de repetiţie flash: programabilă 1 

la 10sec;• Capacitate de memorare pe HDD: 20GB;• Placă bază PC 500MHz, 128 MBRAM, interfaţă serială, paralelă, EIDE, SCSI;• Placă reţea ETHERNET 10/100.

Implementarea tehnologiei informatice

Pentru obţinerea acestor valori (performante) ale parametrilor de mai sus, se impune atât introducerea unei tehnologii informatice pe măsură cât şi mijloace de măsurare metrologică a acestora pe măsură. În acest sens se poate spune că fabricarea unui EEG modern reprezintă o întreprindere deosebit de dificilă şi explică de ce în România, nu există un producător de aparatură medicală modernă. Se cunoaşte doar încercarea unei firmei din Cluj, de a produce un electroencefalograf, dar realizările modeste ale aparatului nu au putut concura cu aparatele firmelor cu prestigiu importate pe piaţa românească în prezent.

Este cu atât mai merituoasă hotărârea firmei de proiectare MOTOREX din Bucureşti de a concepe un aparat la nivelul realizărilor firmelor cu prestigiu în domeniu, precum şi hotărârea firmei de producţie TRION COMPANY din Curtea de Argeş, de a fabrica acest aparat şi a se impune atât pe piaţa românească cât şi pe piaţa europeană.Trebuie remarcat că un rol hotărâtor în abordarea acestei proiectări îl are Programul Relansin care finanţează proiectul alături de TRION COMPANY.Pentru a se asigura rezerve pentru dezvoltări ulterioare, s-a ales soluţia introducerii unei plăci de bază de calculator soluţia “PC pe o singură placă”, dintre cele mai performante, prezentată mai jos.Trăsătura cea mai importantă pentru dezvoltările ulterioare o constituie existenţa portului USB care permite rate de transfer uriaşe de date între cutia de conexiuni la electrozii de pe scalp şi corpul principal al encefalografului.

Probleme tehnice şi soluţii adoptatepentru rezolvareProvocarea cea mai mare pentru un proiectant (şi pentru constructor în aceeaşi măsură) o constituie colectarea potenţialelor bioelectrice de pe scalp neafectate de zgomotul electric al mediului ambient, în special cel provocat de reţeaua electrică de curent alternativ şi amplificarea eficientă de la nivelul de câţiva µV la nivelul de 5V necesar prelucrării digitale.Pentru eliminarea zgomotului s-a ales soluţia amplificatoarelor diferenţiale la intrare, urmate de circuite operaţionale de amplificare programabilă şi de corecţie pentru nivelul de offset introdus de contactul piele-electrod. Amplificatorul unui canal se compune dintr-un preamplificator cu factor mic de amplificare, dar suficient pentru trecerea prin circuitele de selecţie a configuraţiei şi de corecţie şi dintr-un amplificator programabil.Amplificatorul este prevăzut şi cu izolaţie optoelectronică de restul aparatului pentru asigurarea izolării pacientului de eventualele defecţiuni de izolaţie din corpul principal al aparatului şi pentru protejarea circuitelor de intrare de potenţielele foarte mari produse de tensiunea de defibrilaţie aplicate pacientului în acelaşi timp.Pentru asigurarea confortului psihic al pacientului, unele firme elimină şi cablul de legătură între cutia cu borne la care se leagă electrozii şi corpul encefalografului. Transferul informaţiei se realizează prin transmisie în Infra-Roşu (IR).Alte probleme, la fel de importante sunt: asigurarea eşantionării simultane a semnalelor bioelectrice colectate de toţi electrozii, transmisia de mare viteză a fluxului de biţi rezultaţi din digitizare, către corpul principal al aparatului,

asigurarea unei capacităţi mari de memorare. S-a constatat că este nevoie de o memorie de 4MByte pentru 1 minut de înregistrare, deci pentru 10 ore de monitorizare a unui singur pacient (cazuri mai rare, dar totuşi întâlnite în practica medicală) este nevoie de o memorie de cel puţin 2,4Gbyte/pacient.O altă problemă este conectarea la o reţea intranet, pentru arhivarea datelor în serverul unităţii medicale, pentru a avea acces oricând la un volum mare de înregistrări efectuate într-un an de zile.Toate aceste probleme, insurmontabile la prima vedere, au fost depăşite de proiectant şi se aşteaptă ca aparatul să fie bine primit de piaţa românească şi europeană.